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Flachmembran-Druckprmeationsinodul
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit halbdurchlässigen Membranen
zur Trennung von Bestandteilen einer fluiden Beschickung, bestehend aus einem Stapel
von Flachmembranmodulelementen, die durch Druckbeaufschlagung, Verklebung oder Verschweißung
dichtend an ihren scheiben förmigen Rändern miteinander verbunden sind und enthaltend
an den Stirnseiten im Randbereich des Flachmembranmoduls Zu- und Abführmöglichkeiten
für das zu trennende Fluid und eine Abführmöglichkeit für das Permeat.
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Solche Vorrichtungen werden zur Druckpermeation, also Ultrafiltration
und Reversosmose, benötigt. Neben den Energie- und Personalkosten sind für den wirtschaftlichen
Betrieb die Anlagekosten entscheidend. Bisher bekannte Permeationsmoduln sind teuer
und reparaturanfällig, und gerade auch die Kosten für den
Produktionsausfall
und die Membranwechselkosten spielen bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung eine
erhhebliche Rolle.
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Sind für ein Trennverfahren hohe Drücke erforderlich, kommen entweder
nur Flachmembranmoduln oder von außen beaufschlagte Hochfasermoduln in Frage. Von
innen beaufschlagte Fasermoduln sind auf kleine Drucke beschränkt.
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Bei Fasermoduln ist zudem eine hohe Vorreinigung des zu trennenden
Fluids erforderlich.
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Der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt eine Einrichtung zur Wasserentsalzung
am nächsten, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 25 56 210 beschrieben
ist. Jedoch ist die Herstellung der dort beschriebenen Flachmembranmoduln sehr kompliziert,
und es treten insbesondere Dichtungsprobleme au;.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Trennung der Bestandteile
einer fluiden Beschickung, insbesondere zum Auftrennen einer Flüssigkeit, zu entwickeln,
die einen wirtschaftlichen Betrieb zuläßt, für die die Herstellungskosten niedrig
sind und die rasch demontiert werden kann.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Flachmembranmodulelement
aufgebaut ist aus einer beidseitig mit einer Membran bedeckten Permeatsammelkammer
mit beidseitig anschließenden Abstandshaltern, wobei jeweils die scheibenförmigen
Randbereiche der Abstandshalter und der Permeatsammelkammer Druck aufnehmen können
und flüssigkeits- und
gasdicht sind und Bohrungen enthalten, die
zur Vorrichtung zusammengebaut druckfeste Kanäle bilden, wobei Verbindungen von
der Bohrung für die Zu- und/oder Ableitung des zu trennenden Fluids in das Innere
des Abstandhalters bzw.
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von der Bohrung zur Ableitung des Permeats in das Innere der Permeatsammelkammer
vorhanden sind, und die Anordnung der Bohrungen in dem Randbereich derart ist, daß
bezglich einer Symmetrieebene, in der die Längsachse der Vorrichtung liegt, und
die Verbindung von Zu- und Ablaufbohrungen für das zu trennende Fluid auf dieser
Ebene senkrecht steht und diese Verbindung die Längsachse der Vorrichtung schneidet,
und mindestens 2 Bohrungen zur Ableitung der Permeats vorhanden sind und die Flachmembranmodulelemente
zu dem Gesamtmodul so zusammengebaut sind, daß von den Bohrungen, die eine Verbindung
zur Permeatsammelkammer haben, wenigstens ein parallel zur Modulachse verlaufender
Kanal zur Ableitung der Permeats gebildet wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch besondere Einfachheit
aus. Ein Modul besteht nur aus einfachen standardisierten Elementen, und das kann
in vielen Fällen zu einer wirtschaftlich tragbaren Einweglösung führen (Wegwerfmodul).
Jedoch erfordert das Auswechseln einzelner Elemente auch nur geringen Zeit- und
Wartungsaufwand. Ein einzelnes Trennelement kann sehr flach sein; die Leistungsdichte
der Trenneinheiten ist hoch.
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Es ist auch ein Betrieb bei hohen Drucken möglich. Von Vorteil ist
bei diesen Modulelementen die verhältnismäßig geringe und unkritische Verschmutzungsgefahr.
Ein weiterer
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ihre
universelle Einsetzbarkeit. Es ist mit einem einzigen Elementtyp ein Betrieb möglich,
bei dem alle oder ein Teil (auch in gemischter Folge) der Flachmenbranmodulelemente
parallel oder in Reihe geschaltet sind. Mit einem Elementtyp lassen sich Trennanlagen
für sehr verschiedene Leistungsbereiche zusammenstellen. Da auf metallische Werkstoffe
bei diesem Modul verzichtet werden kann, lassen sich viele Korrosionsprobleme vermeiden.
Die auf das Gewicht oder den Raum bezogene Trennoberfläche ist groß.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung beispielhaft
dargestellt und im folgenden weiter erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein aus 7 Teilen
aufgebautes Flachmembranmodulelement; Figur 2 ein aus Flachmembranmodulelementen
zusammengesetzter Druckpermeationsmodul; Figur 3 verschiedene Arten der Ausbildung
des Randbereichs; Figur 4 verschiedene Arten der Verbindung der Bohrungen im Randbereich
mit dem Scheibeninneren; Figur 5 Betrieb eines Moduls in Parallelschaltung; Figur
6 eine spezielle Form eines Abstandhalters; Figur 7 Betrieb eines Moduls in Reihenschaltung.
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Das in Figur 1 dargestellte Flachmembranmodulelement besteht aus 7
scheibenförmigen Teilen 1 bis 7, die im Randbereich durch Verschweißen oder Verkleben
oder durch Druckbeaufschlagung miteinander dicht verbunden werden. Die Teile 2 bis
6 bilden die Permeatsammelkammer mit den Membranen; die Teile 1 und 7 bilden die
Abstandshalter. Im Randbereich aller Elemente sind 6 Bohrungen vorhanden; bei einem
zusammengesetzten Flachmembranmodul werden dadurch 6 achsparallele Kanäle 8 bis
13 gebildet. Bei diesem Flachmembranmodulelement sind die Teile 1 und 7, 3 und 5
gleich. In dem Abstandshalter 1 ist die Bohrung 11 zum Ringinnenraum hin offen 14.
Im Abstandshalter 7 scheint zwar eine andere Verbindung 15 des Innenraums mit der
Bohrung 8 vorzuliegen; das Teil 7 geht jedoch durch eine Drehung um 1800 um die
Modulachse in das Teil 1 über.
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In dem Teil 5 sind Verbindungen 16, 17 aller 4 Bohrungen 9, 10, 12,
13 mit dem Ringinnenraum vorhanden. Die Trennmembranen 2 und 6 sind hinsichtlich
der Anordnung der Bohrungen im Rand nicht gleich. Sie müssen so eingebaut werden,
daß diese Schicht jeweils dem Abstandhalter 1 bzw. 7 zugewandt ist. Die Elemente
3 und 5 sind Stützschichten für die Membran 2 und 6. Das mittlere Element 4 ist
die Permeatsammelschicht, von dort gelangt Permeat in die Permeatableitungskanäle
9, 10, 12, 13.
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Werden die Flachmembranmodulelemente nach Figur 1 analog aufeinandergeschichtet,
entsteht ein Modul wie in Figur 2 abgebildet. Alle Flachmembranmodulelemente sind
parallel geschaltet. Das zu trennende Fluid wird beispielsweise
über
21 eingegeben. Auf der anderen Seite des Moduls ist diese Öffnung 22 verschlossen.
Auch für den Abfluß wird nur eine Öffnung 23 verwendet. Das Permeat tritt an 4 Stellen
24, 25, 26 aus, die zu den Bohrungen 9 und 12 gehörenden Öffnungen 27, 28 sind hier
verschlossen.
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Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Modul ist besonders einfach.
Die Elemente 1 und 7, 3 und 5 bzw. 4 sind 3 Typen von 3 Ringscheiben, die sich in
ihren Verbindungen der Bohrungen zum Innenraum unterscheiden. Sie können vorzugsweise
aus Thermoplasten und gegebenenfalls verstärkten Duroplasten rationell gefertigt
werden. Jedoch sind der Flachmembranmodul ebenso wie die Kanalbohrungen nicht auf
die Kreisform beschränkt. Einige mögliche andere Ausführungsformen der Elemente
sind in Figur 3 dargestellt.
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In dem Teilbild a) ist der Innenraum 31 beispielsweise oval. Im Teilbild
b) ist beispielsweise der Außenquerschnitt des Moduls zwölfeckig, der Innenquerschnitt
kreisförmig. Als eine weitere mögliche Variante sind in diesem Beispiel die beiden
benachbarten Bohrungen zur Permeatableitung untereinander verbunden 32. In dem Teilbild
c) ist die Außenkontur quadratisch, ebenso die Bohrungen 33, 34 zur Zu- und Ableitung
des Fluids. Hier sind auch die beiden Bohrungen zur Ableitung des Permeats 35 schlitzförmig
miteinander verbunden.
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Die Permeatsammelkammer kann in verschiedener Weise aufgebaut sein.
Vom Prinzip her ist es ohne weiteres möglich, die Teile 3, 4, 5 von Figur 1 zu einer
Einheit zusammenzufassen. Für den Betrieb ist es jedoch entscheidend,
die
Membranen 2 und 6 gleichmäßig abzustützen. Die Membranen können nur begrenzt Stütz-
und Dichtfunktionen übernehmen. Wenn die Elemente 3 und 5 die gleichen Verbindungen
16,17 wie das Element 4 aufweisen, kann es an diesen Stellen bei den Membranen zu
Schwierigkeiten kommen.
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Eine andere Alternative wäre, die aus 3,4,5 zusammengefaßte Kammer
von innen her in der Mitte zu den Permeatbohrungen 9,10,12,13 hin anzubohren; fertigungstechnisch
am einfachsten ist eine Permeatsammelkammer aus 3 Teilen, zumal sich dann jeder
Funktionsbereich optimal ausgestalten läßt. Die Stütz schicht in den Elementen 3
und 5 muß eine planen Unterlage für die Membranen 2 bzw. 6 bilden. Der Innenraum
der Permeatsammelschicht 7 ist gewöhnlich auch mit porösem Material ausgefüllt und
kann seinerseits zur Stützung der Stützschichten in den Teilen 3 und 5 mit beitragen.
Es können in den Innenraum zur Verbesserung der Ableitung des Permeats Kanäle eingeritzt
oder die Schicht vor den Bohrungen hin abgetragen sein. Beispiele dazu sind in der
Figur 4 dargestellt.
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Es handelt sich dabei jeweils um das Teil 4 von Figur 1 mit einem
Randbereich 41 und dem Innenraum, der mit einem porösen Material 42 ausgefüllt ist.
Es sind hier nur die verschiedenen Möglichkeiten schematisch dargestellt. Bei einem
einsatzfähigen Element wird man sich auf einen Typ beschränken. Die Lage der Bohrungen
im Randbereich hat in dieser Figur keinen Bezug auf die Erfindung.
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Die Verbindung 43 mit einem herausgefrästen Teil des Randes hat sich
als Standardtyp herausgestellt. Bei 44 ist der Permeatableitungskanal von innen
her angebohrt.
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Bei 45 und 46 sind zur Verbesserung der Ableitung Kanäle in das poröse
Material 42 gefräst.
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Der Betrieb eines erfindungsgemäßen Moduls in Parallelschaltung ist
in Figur 5 dargestellt. Flachmembranmodulelemente in Figur 1 sind deckungsgleich
hintereinander geschichtet.
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In dieser Zeichnung ist die Permeatsammelkammer 51 als ein Komplex
dargestellt. In 51 sind beispielsweise die Elemente, 2,3,4,5,6 aus Figur 1 zusammengefaßt.
Jeder Permeatsammelkammer 51 ist ein Abstandhalter 1 vor und der gleiche Abstandshalter
als Element 7,aber um 1800 dagegen verdreht, nachgeschaltet. Bei 52 strömt das zu
trennende Fluid zu, bei 53 ab. Die Kanäle zur Ableitung des Permeats sind in dieser
Schnittdarstellung nicht zu erkennen.
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Eine erfindungsgemäße Variante des Abstandhalters ist in Figur 6 dargestellt.
Der Abstandshalter 61 hat sowohl vom Zulaufkanal 11 als auch von Ablaufkanal 8 her
eine Verbindung 62, 63 zum Innenraum des Abstandhalters. Bei einer Parallelschaltung
wie in Figur 5 kann bei entsprechenden Dicken der Abstandshalter auf einen Abstandshalter
beim Zusammenbau verzichtet werden.
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Eine Reihenschaltung ist in Figur 7 schematisch dargestellt.
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Ein Flachmembranmodulelement besteht aus der Permeatsammelkammer 51
und aus 2 Abstandshaltern 1 aus Figur 1.
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Jeweils zwei aufeinanderfolgende Flachmembranmodulelemente sind gleichsinnig
aufeinandergelegt, jedoch sind 2 aufeinanderfolgende Flachmembranmodulelementpaare
so verdreht, daß2 nicht analoge Bohrungen für den Permeatablauf aufeinanderliegen,
so daß ein durchgehender zur Modulachse paralleler Kanal zur Abführung des Permeats
gebildet wird. Bei Teilen wie in Figur 1 bedeutet das, daß das 3. und 4. Flachmembranmodulelement
jeweils um ca.
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300 verdreht ist; das 5. und 6. wieder um 300 zurückgedreht ist, also
dieselbe Lage wie das 1. und 2. haben usw. Der Strömungsverlauf des Fluids ist dabei
zeitweilig nicht in der Zeichenebene und daher ist der Verlauf in diesem Bereich
strichliert eingezeichnet.
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Zur Verbesserung einer turbulenten Strömung in dem Innenraum zwischen
den Abstandshaltern können Mischelemente, z.B. in Form eines gewellten Siebes oder
einer gearteten Scheibe, eingelegt sein.
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Bei einer Form des Moduls, wie er beispielsweise in Figur 3 c) abgebildet
ist, wird die Abdeckung der Zu- und Ableitung für das zu trennende Fluid nicht durch
eine Drehung bewirkt, sondern vorzugsweise durch eine lineare Verschiebung der beiden
Platten. Die Verschiebung muß so weit gehen, daß die Bohrungen 33 bzw. 34 vom Rand
der benachbarten Abstandshalter abgedeckt sind, jedoch über die Schlitze 35 noch
eine durchgehende Verbindung des Permeatabführkanals erhalten bleibt. Es versteht
sich, daß bei den Abstandshaltern eine oder zwei Verbindungen der
Bohrungen
33 bzw. 34 zum Innenraum vorhanden sein müssen, ebenso bei den Permeatsammelkammern
eine Verbindung von 32 zum Innenraum. Bei Serienschaltung ist dann in gleicher Weise
ein Betrieb wie in Figur 7 möglich.
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Der Abstand zwischen 2 Membranen ist bestimmt durch die Dicke der
Abstandshalter; üblich sind Abstände zwischen 0,1 und 10 mm, bevorzugt unter 5 mm.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Moduls ist weitgehend unabhängig von
der Beschaffenheit der Membran. Es kann sich um eine relativ grobporige oder feinporige
Filtermembran handeln, um eine symmetrische oder asymmetrische Ultrafiltration-
oder Umkehrosmosemembran oder auch um eine Compositmembran, die gegebenenfalls direkt
auf dem Modulelement erzeugt worden ist. Die Membrandicke liegt im allgemeinen unter
1 mm.
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Das Material der Stützschicht sollte bei Drücken bis 100 bar möglichst
wenig an Durchlässigkeit für das Permeat verlieren und sich durch Quellprozesse
morphologisch nicht verändern. Es kommen in Frage: Sinterkeramik, Sintermetall,
organisch oder anorganisch gebundene Pulver, poröse Kunststoff-Folien, Gewebe, Vliese
aus synthetischen, organischen oder anorganischen Fasern oder Glasfasern. Die Dicke
ist im allgemeinen zwischen 1 und 0,1 mm.
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Die Permeatsammelschicht ist ähnlich wie die Stütz schicht aufgebaut;
bevorzugt ist sie jedoch grobporiger.
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Der gesamte Druckpermeationsmodul wird neben Verkleben und Verschweißen
bevorzugt durch Verschraubung mittels Zuganker zusammengepreßt und gehalten. Die
Zuganker laufen üblicherweise achsparallel. Sie können sowohl außen als auch in
einer weiteren Bohrung im Randbereich der Elemente verlaufen, und unter Umständen
sogar in der Bohrung für das Fluid, bevorzugt für das Permeat.
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Ein Modul wird im Baukastenprinzip aufgebaut. Normalerweise sind keine
besonderen Dichtungsringe erforderlich.
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Am Anfang und Ende des Moduls werden Stirnplatten befestigt mit Anschlüssen
für das zu trennende Fluid und die Ableitung des Permeats.
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Die erfindungsgemäßen Trennelemente lassen sich vor allem einsetzen
im Umweltschutzbereich, zur Klärung bzw. Aufarbeitung von Färbereiwässern, Abwässern
aus der Galvonotechnik, Trennung von ölemussionen, bei der Wein- und Biererzeugung,
bei der Gewinnung von Inhaltsstoffen aus Molke.