DE60220184T2 - Membranfilter, system diesen enthaltend, und verfahren zu dessen verwendung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dead-end-Membranfilter, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System, das einen derartigen Dead-end-Membranfilter umfasst, sowie ein Verfahren, bei dem ein derartiger Dead-end-Membranfilter Verwendung findet.
• Membranfilter sind in der Praxis allgemein bekannt. Bei den Membranfiltern des Standes der Technik ist eine Mehrzahl von Membranmodulen in einer Weise in einem Gehäuse angeordnet, dass sie in der Strömungsrichtung im Wesentlichen in ihrer Verlängerungsrichtung liegen. Ein Membranfilter dieser Art ist in 1 dargestellt. Wie deutlich zu erkennen, befinden sich die Anschlüsse für den Einlass des zu filtrierenden Fluids und für den Auslass des Permeats bei diesen bekannten Membranfiltern an den Enden des Gehäuses.
• Diese bekannten Membranfilter haben jedoch mehrere Nachteile. Erstens ist der Membranfluss durch die verschiedenen, in dem Gehäuse angeordneten Membranmodule nicht gleich stark. Beim Bezugszeichen 2 wird das anströmende Fluid in das Gehäuse 1 eingelassen, und bei Bezugszeichen 3 wird das Permeat ausgetragen. Bei der Filtration wird das anströmende Fluid somit durch die Membranmodule 4, 4', 4'', 4''' hindurch zu der zentralen Permeatleitung 5 geleitet. Folglich ist der Druck auf der Zulaufseite in der Nähe von I am höchsten und in der Nähe von II am niedrigsten. Dementsprechend ist der Druck auf der Permeatseite am geringsten in der Nähe von I und am höchsten in der Nähe von II. Der Membranfluss wird durch die lokale Druckdifferenz über die Membran (transmembrane Druckdifferenz, TMD) angetrieben und gleicht dem Zulaufdruck minus dem Permeatgegendruck. Aufgrund von Druckverlusten ist diese TMD natürlich in der Nähe von I größer als in der Nähe von II. Diese Druckdiffe renzen werden durch die entgegen gerichteten Druckreduktionen, welche an der Zulaufseite und der Permeatseite in den Membranfiltermodulen auftreten, hervorgerufen. Aufgrund des unregelmäßigen Membranflusses verschmutzen die Endmodule in einem höheren Maße und sind daher einer größeren mechanischen Belastung ausgesetzt. Die mittiger angeordneten Membranen tragen anfänglich in geringerem Maße zur Filtration bei. Darüber hinaus führt ein solch unregelmäßiger Membranfluss zu dem Problem, dass bei der Reinigung der Membranen nicht alle Membranmodule gleich gut gereinigt werden. Dies wirkt sich auf die gesamte Produktivität der Membranfilteranlage nachteilig aus.
• Insbesondere soll hier auf die Veröffentlichung WO 97/4737A Bezug genommen werden, welche den nächstliegenden Stand der Technik darstellt. Diese Veröffentlichung betrifft ein Dead-end-Filtrationssystem, wie es im Oberbegriff von Anspruch 1 angegeben ist und ermöglicht einen Ausgleich des Drucks innerhalb des Filtergehäuses. Zulaufeinlässe befinden sich an den Enden des Gehäuses, und zusätzliche Zulaufeinlässe sind zwischen diesen Enden vorgesehen. Jedoch wird damit nicht die gleiche Druckdifferenz über alle im Gehäuse angeordneten Membranfiltermodule erzeugt. Daher ist die Strömungsgeschwindigkeit durch die Membranfiltermodule nicht bei allen Modulen gleich hoch, was wiederum zu einer unregelmäßigen Verschmutzung ("Fouling") führt. Da ein Rückwaschprozess bei unregelmäßigen Druckdifferenzen in den Membranfiltermodulen durchgeführt wird, ist auch die Wirkung des Rückwaschvorgangs ungleichmäßig.
• Weiterhin wird auf ES 1 048 685 U Bezug genommen. Diese Veröffentlichung betrifft das Verbinden von Filterelementen durch Verwendung spezieller Anschlüsse, durch welche sich der Einsatz von Gehäusen für die Filterelemente erübrigt.
• Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Membranfilters, bei dem die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten. Das Ziel der Erfindung besteht insbesondere in der Bereitstellung eines verbesserten Membranfilters, der sich durch einen gleichmäßigen Membranfluss auszeichnet. Und schließlich besteht das Ziel der Erfindung in der Bereitstellung eines Membranfilters, durch den die Bauweise einer Filteranlage, in der solche Membranfilter Verwendung finden, vereinfacht und der kontinuierliche Betrieb einer solchen Anlage erleichtert wird.
• Um das oben genannte Ziel zu erreichen, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Membranfilter gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Der erfindungsgemäße Membranfilter weist eine Reihe von Vorteilen auf. Der wichtigste Vorteil besteht in einer gleichmäßigen Druckdifferenz der Zulaufseite in Bezug zur Permeatseite, und zwar unabhängig von der Lage des Gehäuses. Ein weiterer Vorteil besteht in der räumlichen Trennung zwischen den Zulaufleitungen und den Permeatleitungen.
• Der erfindungsgemäße Membranfilter wird in der "Dead-end"-Filtration angewendet. Wenn alle Membranmodule den gleichen Druckabfall aufweisen – und dies kann in der Praxis als Ausgangssituation angenommen werden – so haben alle Module den gleichen transmembranen Druck und demzufolge auch den gleichen Membranfluss. Hierdurch wird in der gesamten Anlage eine sehr gleichmäßige Belastung erzeugt. Weiterhin zeigen in diesem Falle alle Membranmodule im Wesentlichen das gleiche Ausmaß an Verschmutzung. Dies bedeutet, dass eine sicherere Reinigung der Membranmodule ermöglicht wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Druckverluste nicht mehr zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Membranflusses an den einzelnen Modulen beitragen, da die Druckdifferenz auf der Zulaufseite genau so hoch ist wie die Druckdifferenz auf der Permeatseite. Folglich ist eine Minimierung der Druckverluste einzelner Module nicht mehr erforderlich.
• Bei einer weiteren Ausführungsform sind Zulaufeinlässe an beiden Enden des Membranfiltergehäuses, sowie ein Permeatauslass im Wesentlichen in der Mitte des Membranfiltergehäuses vorgesehen.
• Mit der Erfindung wird weiterhin ein Filtersystem bereitgestellt, bei dem wenigstens ein Membranfilter gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Vorzugsweise wird ein Filtersystem verwendet, bei dem mehrere erfindungsgemäße Membranfilter Verwendung finden. Die jeweiligen Zulaufeinlässe können dann derart an eine gemeinsame Zulaufleitung angeschlossen sein, dass der Fluidstrom die jeweiligen Membranfiltergehäuse nacheinander erreicht.
• Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
• Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• 1 zeigt ein Membranfiltergehäuse gemäß dem Stand der Technik.
• Die 2, 2A und 2B zeigen einen Membranfilter gemäß einer ersten Ausführungsform.
• 3 zeigt einem Membranfilter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
• 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Membranfiltergehäuse während der Reinigung.
• 1 zeigt einen Membranfilter 1 gemäß dem Stand der Technik. Vorgesehen sind Zulaufanschlüsse 2 und Permeatauslassanschlüsse 3. Das zu filtrierende Fluid durchströmt die Membranmodule 4, 4', 4'', 4''' und wird über die Permeatleitung 5 ausgetragen.
• Erfindungsgemäß ist bei der ersten Ausführungsform ein Membranfilter, wie in 2 dargestellt, vorgesehen. Das Gehäuse 1 umfasst eine Mehrzahl an Modulen 4, 4', 4'', 4''' sowie eine zentrale Permeatleitung 5. Das Fluid wird über den Zulaufanschluss 2 zugeführt, und das Permeat wird über den Permeatauslass 3 abgeleitet. Zwar ist die Permeatleitung 5 als eine ununterbrochene Leitung ausgeführt, jedoch kann sie in der Position II auch ausgelassen werden. Wenn das zu filtrierende Fluid dem Einlass 2 zugeführt wird, durchdringt es die Membranmodule 4' und 4, bzw. 4'' und 4''', erreicht dann die Permeatleitung 5 und tritt anschließend aus dem Gehäuse über 3 wieder aus. Die Filtration findet aufgrund der transmembranen Druckdifferenz zwischen der Zulaufseite und der Permeatseite statt. Diese Druckdifferenz ist hierbei die treibende Kraft. Aufgrund von Druckverlusten in den Membranmodulen ist der Druck auf der Zulaufseite in der Nähe von II höher als in der Nähe von I. Dementsprechend ist der Druck in der Permeatleitung in der Nähe von II höher als in der Nähe von I. Dies bedeutet, dass die Druckdifferenz im gesamten Membranfilter im Wesentlichen konstant ist. Hierdurch wird im gesamten Membranfilter ein sehr konstanter Membranfluss erreicht.
• 2A zeigt ein Filtersystem, bei dem zwei der in 2 dargestellten Membranfilter miteinander verbunden sind. Das Fluid wird über die zentrale Zulaufleitung 6 zugeleitet. Der Pfeil A gibt die Fließrichtung des Fluids durch die zentrale Zulaufleitung 6 an. Das zugeleitete Fluid erreicht zunächst den Membranfilter 1 und anschließend den Membranfilter 1'. Da die Zulaufgeschwindigkeit in der Nähe der Position 7 größer ist als in der Nähe der Position 8, ist der Durchmesser der Permeatleitung 6 vorzugsweise so ausgelegt, dass er bei Position 7 größer ist. Sind die Membranfilter 1 und 1' identisch, so ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Position 7 im Allgemeinen doppelt so hoch wie in der Nähe der Position 8. Daher ist der Durchmesser der Zulaufleitung 6 in der Nähe der Position 7 in einem solchen Maße größer als in der Nähe der Position 8, dass die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Fluids konstant bleibt.
• Da es aus konstruktionstechnischer Sicht ungünstig ist, die zentrale Zulaufleitung 6 mit einem Durchmesser zu versehen, welcher nicht mit dem Durchmesser des Membranfiltergehäuses 1 übereinstimmt, wenn das Gehäuse direkt mit der Zulaufleitung verbunden ist, wie in 2A gezeigt, wird der Anschluss des Membranfiltergehäuses an die gemeinsame Zulaufleitung 6 vorzugsweise wie in 2B ausgestaltet. Auf diese Weise kann der Durchmesser problemlos wie erwünscht geändert werden. Beispielsweise kann die Zulaufleitung in der Nähe der Position 9, dargestellt in 2B, konisch (nicht dargestellt) ausgestaltet sein, um einen allmählichen Übergang von dem größeren Durchmesser (nicht dargestellt) in der Nähe von 7' zu dem kleineren Durchmesser (nicht dargestellt) in der Nähe von 8' zu schaffen.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf ein Filtersystem beschränkt, bei dem lediglich zwei Membranfilter 1, 1' zu einem Filtersystem kombiniert sind. Ebenfalls möglich ist eine Kombination einer größeren Anzahl von Membranfiltern, um ein Filtersystem mit einer Vielzahl von Membranfiltern zu erhalten, so z.B. eine Ausführungsform, bei der vier Membranfiltergehäuse in einem Filtersystem kombiniert sind. Allerdings ist es in einem solchen Fall besonders bevorzugt, den Durchmesser der gemeinsamen Zulaufleitung 6 an die Menge des durch diese hindurch zu leitenden Fluids anzupassen, wie in 2B gezeigt.
• 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Membranfilters gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher Zulaufeinlass-Anschlüsse 2 an den Enden eines Membranfiltergehäuses 1 vorgesehen sind und ein Permeatauslass 3 in der Mitte des Filtergehäuses 1 vorgesehen ist. Das Funktionsprinzip eines Membranfilters gemäß 3 stimmt im Wesentlichen mit demjenigen des Filters von 2 überein. Jedoch ist die Strömungsrichtung durch die Membranmodule umgekehrt.
• 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Filteranlage gemäß 2 durchgespült wird. Zu diesem Zweck wird Spülwasser in der Nähe des Permeatauslasses 3 zugeführt, fließt dann über die Permeatleitung 5 durch die Membranmodule 4 und verlässt die Anlage über den Zulaufeinlass 2. Das in 3 gezeigte System kann in ähnlicher Weise durch Rückspülen des Permeats gereinigt werden.
• Für den Fachmann ist weiterhin offensichtlich, dass die Richtung der Filtration auch umgekehrt werden kann. In den 1-3 findet die Filtration von Innen nach Außen statt. Dies bedeutet, dass sich das zugeführte Fluid an der Innenseite der Membran befindet, während sich das Permeat an der Außenseite befindet. Wenn die Filteranlage umgestellt wird, so befindet sich das zugeführte Fluid an der Außenseite und das Permeat an der Innenseite (siehe 4). Das Durchspülen der Anlage findet in diesem Falle in der umgekehrten Richtung statt.
• Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt.

Claims (6)

1. Dead-end-Membranfilter, umfassend ein Gehäuse (1) mit einem Zulaufeinlass (2) und einem Permeatauslass (3) und wenigstens zwei Membranfiltermodule (4, 4', 4'', 4'''), die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, wobei ein zu filtrierendes Fluid über den Zulaufeinlass (2) den Membranfiltermodulen (4, 4', 4'', 4''') zugeleitet und ein Permeatstrom über den Permeatauslass (3) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass: a) der Zulaufeinlass (2) an einer Stelle in der Mitte des Membranfiltergehäuses (1) angeordnet ist und der Permeatauslass (3) aus Auslässen besteht, die sich an den beiden Enden des Membranfiltergehäuses (1) befinden, oder b) der Zulaufeinlass (2) aus Einlässen besteht, die an beiden Enden des Membranfiltergehäuses (1) vorgesehen sind, und der Permeatauslass (3) an einer Stelle im Wesentlichen in der Mitte des Membranfiltergehäuses (1) angeordnet ist.
2. Filtersystem, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Dead-end-Membranfilter nach Anspruch 1 umfasst.
3. Filtersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es Dead-end-Membranfilter nach Anspruch 1 umfasst, von denen jeder über einen jeweiligen Zulaufeinlass mit einer gemeinsamen Zulaufleitung verbunden ist, so dass der Fluidstrom die jeweiligen Membranfilter nacheinander erreicht.
4. Filtersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der gemeinsamen Zulaufleitung in der Strömungsrichtung abnimmt.
5. Filtersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser derart abnimmt, dass die Strömungsgeschwindigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit in der gesamten gemeinsamen Zulaufleitung im Wesentlichen konstant ist.
6. Verfahren zur Filtration einer Flüssigkeit mittels Dead-end-Filtration, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren ein Dead-end-Membranfilter nach Anspruch 1 oder ein Filtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5 verwendet wird.