Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Hohlfaserfiltermodul. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein
Hohlfaserfiltermodul das folgendes umfaßt: ein Gehäuse, das
mindestens in einem Endteil eine Flüssigkeits-Zuführungsdüse
und ein Bündel von im Gehäuse angeordneten Hohlfasern
aufweist, wobei ein Endteil des Bündels von einem hohlen
Kontrollelement für die Flüssigkeitsströmung eingeschlossen ist
und wobei die Flüssigkeits-Zuführungsdüse eine
Einführungsöffnung aufweist, die einen größeren Durchmesser hat als
irgendein Teil des Hohlraums der Düse. Das
Hohlfaserfiltermodul kann in vorteilhafter Weise zur Trennung/Reinigung von
Flüssigkeiten verwendet werden, insbesondere bei einer
Filtration, bei der eine zu filtrierende Flüssigkeit in Kontakt
mit der Außenwandoberfläche einer Hohlfasermembran gebracht
wird und ein Filtrat von der Innenwandoberfläche der
Hohlfasermembran entnommen wird, d. h. bei einer sogenannten
Außendruckfiltration. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen
Filtermoduls kann eine Außendruck-Filtration einer
Flüssigkeit in vorteilhafter Weise stabil für eine längere
Zeitspanne bei hohem Filtrationswirkungsgrad durchgeführt werden.
Erörterung des Stands der Technik
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Wenn ein Hohlfaserfiltermodul zum Einsatz bei der
Innendruckfiltration (d. h. eine Filtration, bei der eine zu
filtrierende Flüssigkeit in Kontakt mit der Innenwandoberfläche
einer Hohlfasermembran gebracht wird und ein Filtrat von der
Außenwandoberfläche der Membran entnommen wird) bei der
Außendruckfiltration ohne eine Modifikation der Struktur des
Innendruckfiltrationsmoduls verwendet wird, treten
verschiedene Schwierigkeiten auf. Insbesondere wenn ein Filtermodul
mit einem zylindrischen Gehäuse, das eine
Flüssigkeits-Zuführungsdüse an einem Endbereich des Gehäuses an seinem Umfang
aufweist und ein Bündel von Hohlfasern im Gehäuse in dessen
Längsrichtung angeordnet ist, bei der Außendruckfiltration
ohne eine Modifikation der Struktur des
Innendruckfiltrationsmoduls eingesetzt wird, treten Schwierigkeiten insofern
auf, als die Hohlfasern im Bündel in einem Teil des Bündels,
der der Position der Flüssigkeits-Zuführungsdüse entspricht,
unter der erheblichen Kraft einer zu futrierenden
Flüssigkeit, die in das Modul durch die Flüssigkeits-Zuführungsdüse
fließt, zusammengedrückt werden, so daß die Flüssigkeit nicht
in wirksamer Weise in Kontakt mit den Hohlfasern, die im
Bündel vorhanden sind, gebracht werden kann. Ferner besteht bei
den Hohlfasern die Gefahr, daß sie unter Einwirkung der Kraft
der zu filtrierenden Flüssigkeit, die in das Modul durch die
Flüssigkeits-Zuführungsdüse fließt, brechen oder anderweitig
beschädigt werden. Diese Schwierigkeiten sind besonders
schwerwiegend, wenn das Filtermodul relativ groß ist und
somit die Strömungsgeschwindigkeit der zu filtrierenden
Flüssigkeit hoch ist. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, wurden
verschiedene Vorschläge gemacht. Gemäß einem Vorschlag wird
das Bündel von Hohlfasern in ein Kunstharznetz eingewickelt.
Gemäß einem weiteren Vorschlag wird eine Prallplatte zwischen
der Flüssigkeits-Zuführungsdüse und dem Hohlfaserbündel
angeordnet (vgl. beispielsweise die offengelegten japanischen
Gebrauchsmusteranmeldungen 58-107 104 und 58-95 202). Gemäß
einem weiteren Vorschlag wird eine zylindrische Sperre um das
Hohlfaserbündel in einem Teil, der der Position der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse entspricht, angeordnet (vgl.
beispielsweise die offengelegte japanische Gebrauchsmusteranmeldung
58-108 113 und JP-A-62-204 804).
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Jedoch wird insbesondere bei den vorstehend erwähnten
Vorschlägen, bei denen eine Prallplatte oder eine
zylindrische Sperre zum Einsatz kommt, ein Verlust an Druck, der mit
Hilfe der durch die Flüssigkeits-Zuführungsdüse eingeführten
Flüssigkeit auf die Hohlfasern ausgeübt wird, hervorgerufen,
so daß der Filtrationswirkungsgrad des Moduls unzureichend
wird. Ferner sind die vorerwähnten Vorschläge insofern
nachteilig, als das Modul in einem frühen Betriebsstadium einen
Verlust des Filtrationswirkungsgrads erleidet, und zwar in
Abhängigkeit von der Art der zu futrierenden Flüssigkeit.
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Der genaue Grund für die Verringerung des
Filtrationswirkungsgrads in diesem frühen Stadium ist noch nicht geklärt.
Es wird jedoch angenommen, daß bei den Modulen der
vorerwähnten Vorschläge Unregelmäßigkeiten in der
Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Umfangsrichtung auftreten, so daß
es zu einer zunehmenden Anreicherung von verunreinigenden
Teilchen an den Außenwandoberflächen der Hohlfasern in
Bereichen, wo die Strömungsgeschwindigkeit gering ist, kommt.
Somit besteht auf diesem Gebiet ein starkes Bedürfnis nach
einem Hohlfaserfiltermodul, das in vorteilhafter Weise bei
der Außendruckfiltration eingesetzt werden kann, ohne daß die
vorerwähnten Schwierigkeiten auftreten.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
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Im Hinblick auf die Entwicklung eines
Hohlfaserfiltermoduls, das frei von den vorerwähnten Nachteilen ist, die
unvermeidlicherweise bei den herkömmlichen Filtermodulen
auftreten, haben die Erfinder umfangreiche und eingehende
Untersuchungen durchgeführt. Als Ergebnis wurde dabei
überraschenderweise festgestellt, daß das angestrebte Ziel durch ein
Filtermodul erreicht werden kann, das mit einem hohlen
Kontrollelement für die Flüssigkeitsströmung und einer
Flüssigkeits-Zuführungsdüse mit einer bestimmten besonderen Struktur
ausgerüstet ist. Auf der Grundlage dieses neuartigen Befunds
wurde die Erfindung fertiggestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein
Hohlfaserfiltermodul bereitzustellen, das in vorteilhafter
Weise bei der Außendruckfiltration eingesetzt werden kann,
wobei ein Druckverlust einer in das Modul eingeführten
Flüssigkeit auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auf einem
Minimum gehalten werden kann und bei dem die Verringerung des
im Laufe der Zeit eintretenden Filtrationswirkungsgrads
ebenfalls auf einem Minimum gehalten wird.
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Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der
nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen in Verbindung mit der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist ein Querschnitt in Längsrichtung einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlfaserfiltermoduls.
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Fig. 2 ist ein Querschnitt in Längsrichtung einer
weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Hohlfaserfiltermoduls.
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Fig. 3 und Fig. 4 sind Querschnitte in Längsrichtung von
besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Hohlfaserfiltermoduls.
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Fig. 5 ist eine erläuternde Darstellung einer
Ausführungsform des im erfindungsgemäßen Hohlfaserfiltermodul
verwendeten hohlen Kontrollelements für die
Flüssigkeitsströmung, gesehen in Richtung des Hohlraums des Kontrollelements.
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Fig. 6 ist eine Seitenansicht des in Fig. 5
dargestellten hohlen Kontrollelements für die Flüssigkeitsströmung.
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Fig. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung von zwei
Möglichkeiten der Veränderung des Durchmessers im Hohlraum der
am Umfang des erfindungsgemäßen Hohlfaserfiltermoduls
vorgesehenen Flüssigkeits-Zuführungsdüse.
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Fig. 8 ist ein Diagramm zur Darstellung einer
Möglichkeit der Veränderung des Innendurchmessers des in einer
besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Hohlfaserfiltermoduls verwendeten zylindrischen Gehäuses,
zusammen mit einer Möglichkeit der Veränderung des Durchmessers
des Hohlraums der Flüssigkeits-Zuführungsdüse und einem
Beispiel für den Außendurchmesser des Kontrollelements für die
Flüssigkeitsströmung.
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Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Querschnitt in
Längsrichtung eines Teils eines zylindrischen Gehäuses, bei dem
die Innenwandoberfläche des zylindrischen Gehäuses einen
konischen Querschnitteil aufweist, das einen Neigungswinkel (θ)
besitzt.
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In den Figg. 1 bis 9 sind gleiche Bauteile oder Bereiche
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Hohlfaserfiltermodul bereitgestellt, das folgendes umfaßt:
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ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse, das
mindestens in einem Endteil im Umfang des zylindrischen Gehäuses
eine Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 aufweist, wobei diese
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 eine äußere Öffnung, eine
Einlaßöffnung in der Umfangswand des zylindrischen Gehäuses und
eine Düsenwand, die sich aus dem Umfang der Einlaßöffnung in
der Umfangswand des zylindrischen Gehäuses zu der äußeren
Öffnung erstreckt, und wobei in dem zylindrischen Gehäuse in
Längsrichtung des zylindrischen Gehäuses ein Bündel von
porösen Hohlfasern vorgesehen ist, wobei jede poröse Hohlfaser
eine Öffnung in mindestens einem Ende der Faser hat und das
Bündel von Hohlfasern an seinen beiden Enden mit Endteilen
des zylindrischen Gehäuses verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bündel von porösen Hohlfasern an einem
Endteil des Bündels, welches dem Endteil entspricht, an dem sich
die Flüssigkeits-Zuführungsdüse befindet, von einem hohlen
Kontrollelement für die Flüssigkeitsströmung eingeschlossen
ist, welches in dem zylindrischen Gehäuse befestigt ist,
während der verbleibende Teil des Bündels von porösen Hohlfasern
gegenüber der Innenwandoberfläche des zylindrischen Gehäuses
freiliegt, wobei das Kontrollelement für die
Flüssigkeitsströmung entweder eine flüssigkeitsundurchlässige Struktur
oder eine perforierte Struktur hat, in der Löcher in der
Umfangswand des Kontrollelements auf gegenüberliegenden Linien
in Längsrichtung des Kontrollelements in etwa so ausgebildet
sind, daß die Linien auf einer imaginären Ebene liegen,
welche die Mittelachse und die Umfangswand des Kontrollelements
im rechten Winkel mit der Längsachse der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse schneidet, und daß das Kontrollelement für die
Flüssigkeitsströmung so angeordnet ist, daß ein Zwischenraum
zwischen der äußeren Oberfläche des Kontrollelements und der
inneren Oberfläche des zylindrischen Gehäuses gebildet wird
und daß die Flüssigkeits-Zuführungsdüse einen erweiterten
Hohlraum aufweist, der durch die innere Oberfläche der
Düsenwand begrenzt wird, die sich von der äußeren Öffnung zu der
Einführungsöffnung erstreckt, wobei die Einführungsöffnung
einen größeren Durchmesser hat als irgendein Teil des
Hohlraums, einschließlich der äußeren Öffnung, und wobei der
Durchmesser der Einführungsöffnung als der Durchmesser,
gemessen über die Öffnung an der Innenwandoberfläche des
zylindrischen Gehäuses, definiert ist.
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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Querschnitt in Längsrichtung einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlfaserfiltermoduls. Ein
im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 3 weist eine
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 an mindestens einem Endteil des
zylindrischen Gehäuses in seinem Umfangsbereich sowie ein Bündel
von porösen Hohlfasern 4, die jeweils im zylindrischen
Gehäuse 3 in Längsrichtung des zylindrischen Gehäuses 3
angeordnet sind, auf. Die einzelnen porösen Hohlfasern 4 weisen
eine Öffnung an mindestens einem Ende der Fasern auf. Das
Bündel von Hohlfasern 4 ist an beiden Enden mit Endteilen des
zylindrischen Gehäuses 3 mittels eines Fixierungsblocks 5
verbunden, bei dem es sich beispielsweise um ein Epoxyharz
handelt und der dazu dient, nicht nur die Hohlfasern 4
miteinander zu verbinden, sondern auch die beiden Enden der
Hohlfasern 4 mit dem Endteil des Gehäuses 3 zu verbinden.
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Das zylindrische Gehäuse 3 kann gegebenenfalls eine
Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' aufweisen, die eine Kontrolle
des Flüssigkeitsdrucks bewirkt, um die Gefahr eines Bruchs
der Hohlfasern im zylindrischen Gehäuse 3 weiter zu
verringern.
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Das Bündel von porösen Hohlfasern 4 ist an einem Endteil
des Bündels, der dem Endteil mit der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 entspricht, von einem hohlen Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung eingeschlossen, das im zylindrischen
Gehäuse 3 befestigt ist. Das Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung ist so angeordnet, daß sich ein Zwischenraum 6
zwischen der äußeren Oberfläche des Kontrollelements 1 und
der inneren Oberfläche des zylindrischen Gehäuses 3 ergibt.
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Die Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 umfaßt eine äußere
Öffnung, eine Einführungsöffnung in der Umfangswand des
zylindrischen Gehäuses 3 und eine Düsenwand, die vom Umfang der
Einführungsöffnung in der Umfangswand des zylindrischen
Gehäuses 3 sich zur äußeren Öffnung erstreckt und einen
erweiterten
Hohlraum aufweist, der durch die innere Oberfläche der
Düsenwand, die sich von der äußeren Öffnung in Richtung zur
Einführungsöffnung erstreckt, definiert ist. Die
Einlaßöffnung weist einen Durchmesser auf, der größer als der
Durchmesser in irgendeinem Teil des Hohlraums ist, einschließlich
der äußeren Öffnung. Der Durchmesser der Einlaßöffnung ist
definiert als ein Durchmesser, gemessen über die Öffnung an
der Innenwandoberfläche des zylindrischen Gehäuses 3.
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Es ist bevorzugt, daß der Durchmesser des Hohlraums der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 sich über eine Strecke von
mindestens 5% der Düsenwand, bezogen auf die Gesamtlänge der
Düsenwand von der Zuführungsöffnung bis zur äußeren Öffnung,
kontinuierlich vermindert.
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Die Form des Hohlraums der Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2
kann im Querschnitt kreisförmig, polygonal oder unregelmäßig
sein, wobei aber eine kreisförmige Querschnittform bevorzugt
wird.
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Was die Struktur der (fakultativen)
Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' betrifft, gibt es keine Beschränkungen. Jedoch
weist die Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' im Hinblick auf eine
Verminderung des Widerstands gegen einen durch diese Düse
entnommenen Flüssigkeitsstrom vorzugsweise eine Struktur auf,
die identisch mit der erfindungsgemäß definierten
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 ist.
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Fig. 2 ist eine Querschnittansicht in Längsrichtung
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Hohlfaserfiltermoduls. Im Filtermodul von Fig. 2 ist die Länge (in
Längsrichtung eines zylindrischen Gehäuses 3) eines
Fixierungsblocks 5, der die Endteile der Hohlfasern miteinander
verbindet und an seinem Umfang an der Innenwandoberfläche des
Gehäuses 3 angebracht ist, größer als im Fall des Moduls von
Fig. 1, so daß die freiliegende innere Oberfläche des
Fixierungsblocks 5, die die wirksame Länge der einzelnen
Hohlfasern 4 des Filtermoduls definiert, auf die
Innenwandoberfläche der jeweiligen Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 und
Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' ausgerichtet ist. In dieser
Ausführungsform des Filtermoduls kann ein Flüssigkeitsstau in den
Endteilen der Innenseite des Moduls verhindert werden,
wodurch die Gefahr der Anreicherung von Verunreinigungen und
einer Vermehrung von Bakterien weniger wahrscheinlich ist.
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Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen
Querschnitt in Längsrichtung einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlfaserfiltermoduls. Im
Filtermodul von Fig. 3 weist die Innenwandoberfläche des
zylindrischen Gehäuses 3 an ihrem Endteil, der sich vom Endteil
mit dem Kontrollelement 1 in Richtung zu einem Mittelteil des
Gehäuses 3 erstreckt und dem Kontrollelement 1
gegenüberliegt, einen verjüngten Querschnittbereich auf, so daß der
Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses 3 in Richtung des
zentralen Bereiches verkleinert wird (wie in Fig. 8
dargestellt ist). Bei diesem Filtermodul gibt es keine
stufenartigen Vorsprünge an der inneren Oberfläche des Gehäuses 3. Der
hier verwendete Ausdruck "stufenartiger Vorsprung" bedeutet
einen Vorsprung, der einen Zustand hervorruft, bei dem die
Innenwandoberfläche des Gehäuses 3 einen verjüngten
Querschnittbereich aufweist, der mit einem Winkel (θ) gemäß der
Darstellung in Fig. 9 verjüngt ist, wobei der Winkel (θ)
größer als 45º ist und die Höhe ("h" in Fig. 9) des
vorspringenden Bereichs 1% oder mehr des Innendurchmessers ("D" in Fig.
9) des Gehäuses 3 beträgt. Fig. 9 zeigt einen Querschnitt in
Längsrichtung eines verjüngten Querschnittbereiches einer
Anordnung des in Fig. 3 dargestellten zylindrischen Gehäuses 3,
das ein Segment 9 mit-einer Düse 2 (nicht abgebildet) und ein
zylindrisches Rohrsegment 10 umfaßt, wobei die Segmente 9 und
10 miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß kann das
zylindrische Gehäuse 3 einstückig ausgebildet sein (wie in den
Figg. 1-3 dargestellt ist). Alternativ, kann, wie in Fig. 4
dargestellt und später ausführlich beschrieben ist, das
zylindrische Gehäuse 3 getrennte Segmente 9 und 10 umfassen,
die miteinander verbunden sind (vgl. Figg. 4 und 9).
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Der Winkel (θ) des Gradienten des verjüngten
Querschnittbereiches liegt vorzugsweise im Bereich von nicht
größer als 45º und insbesondere von 5 bis 30º. Der prozentuale
Anteil der maximalen Abnahme des Innendurchmessers relativ
zum Innendurchmesser des Endteils des Gehäuses 3,
entsprechend der Position, wo ein Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung
angeordnet ist, beträgt vorzugsweise 5 bis
weniger als 20%. Beträgt die maximale Verminderung weniger als
5%, so ist es möglicherweise schwierig, eine gleichmäßige
Strömung einer in das Modul eingeführten Flüssigkeit in
Umfangsrichtung des Kontrollelements 1 für die Flüssigkeit zu
erreichen, so daß die Gefahr besteht, daß der
Filtrationswirkungsgrad sich im zeitlichen Verlauf in ungünstigem Umfang
verringert. Beträgt andererseits die maximale Verringerung
des Innendurchmessers 20% oder mehr, so wird die Anzahl an
Hohlfasern, die im Modul angeordnet werden kann, zu gering,
so daß der Filtrationswirkungsgrad pro Volumeneinheit des
Moduls sich in ungünstiger Weise verringert.
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In Fig. 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hohlfaserfiltermoduls dargestellt. Im
Filtermodul von Fig. 4 umfaßt das zylindrische Gehäuse 3 ein
zylindrisches Rohrelement 10 und mit Düsen versehene Segmente
9, 9, die mit den Endteilen des Rohrsegments 10 durch
Verkleben oder Verschweißen verbunden sind. Beispielsweise ist der
Außendurchmesser des Rohrsegments 10 in etwa gleich mit dem
Innendurchmesser des zylindrischen Endteils des mit der Düse
versehenen Segments 9. Der Endteil des Rohrsegments 10 ist in
dem zylindrischen Endteil des mit der Düse versehenen
Segments 9 so eingesetzt, daß die Innenwandoberfläche des
zylindrischen Endteils des mit der Düse versehenen Segments 9 über
die Außenwandoberfläche des Endteils des Rohrsegments 10 paßt
und mit dieser verbunden ist, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Das eingesetzte Endteil des Rohrsegments 10 weist einen
konisch verjüngten Querschnitt auf, so daß sich ein verjüngter
Querschnittbereich der Innenwandoberfläche des zylindrischen
Gehäuses 3 im erfindungsgemäßen Filtermodul ergibt. Dieser
durch die Verbindung des Rohrsegments 10 mit dem mit der Düse
versehenen Segment 9 erzielte verjüngte Querschnittbereich
ist in Fig. 9 vergrößert dargestellt. In Fig. 9 ist das
spitze Ende des verjüngten Querschnittbereichs des
eingesetzten Rohrsegments 10 ausgeschnitten, so daß sich ein
vertika-1er Abschnitt ergibt, der an einer vertikalen Fläche eines
Teils 9A des mit der Düse versehenen Segments 9 anstößt.
Durch diese anstoßende Struktur wird die Verbindung zwischen
dem mit der Düse versehenen Segment 9 und dem Rohrsegment 10
in vorteilhafter Weise befestigt, so daß sich eine hohe
Ablösefestigkeit ergibt. Jedoch kann diese anstoßende Struktur
weggelassen werden. Entfällt die anstoßende Struktur, so
verjüngt sich der konische Querschnittbereich des eingesetzten
Rohrsegments 10 bis zu seinem spitzen Ende, wobei das mit der
Düse versehene Segment 9 keinen Keil 9A aufweist.
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Der verjüngte Querschnittbereich ist, wie in Fig. 9
dargestellt, in einem Winkel (θ) verjüngt. Wie vorstehend
beschrieben, ist der Winkel (θ) vorzugsweise nicht größer als
45º und liegt insbesondere im Bereich von 5 bis 30º.
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Im Filtermodul von Fig. 4 ist die Länge (in
Längsrichtung des zylindrischen Gehäuses 3) eines Fixierungsblocks 5,
der die Endteile der Hohlfasern miteinander verbindet, länger
als im Fall des Moduls von Fig. 3, so daß die innere
freihegende Oberfläche des Befestigungsblocks 5, der die effektive
Länge der einzelnen Hohlfasern 4 des Filtermoduls definiert,
mit der Innenwandoberfläche jeweils einer
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 und einer Flüssigkeits-Entnahmedüse 2'
ausgerichtet ist, wie im Fall des Moduls von Fig. 2. Bei dieser Form
des Filtermoduls kann ein Flüssigkeitsstau in den Endteilen
der Innenseite des Moduls verhindert werden, wodurch eine
geringere Gefahr der Anreicherung von Verunreinigungen und der
Vermehrung von Bakterien besteht. Ferner weist das Modul eine
Hohlfaser-Schutzvorrichtung 7 (mit imaginären Linien
dargestellt) auf, die eng benachbart angeordnet ist, um den
Endteil des Bündeis auf der Seite einer
Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' einzuschließen. Die Hohlfaserschutzvorrichtung 7
weist im allgemeinen eine zylindrische Form auf und ist aus
einem porösen Material gefertigt. Das Material für die
Schutzvorrichtung 7 unterliegt keinen Beschränkungen. Es kann
sich um das gleiche Material handeln, wie es für das Gehäuse
3 und/oder das Kontrollelement 1 verwendet wird.
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Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Filtermoduls, das mit
seinen typischen Merkmalen in den Figg. 1-4 dargestellt ist,
stößt eine Flüssigkeit, die in das erfindungsgemäße
Filtermodul durch die Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 eingeführt wird,
auf das Kontrollelement 1 für die Flüssigkeitsströmung und
gelangt in den ringförmigen Raum 6 um das Kontrollelement 1
für die Flüssigkeitsströmung Der Strom der Flüssigkeit wird
somit durch das Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung korrigiert, und anschließend wird die Flüssigkeit in
Kontakt mit den Hohlfasern 4 gebracht. Ein Teil (etwa 1/10)
der in das Modul eingeführten Flüssigkeit wird durch die
Flüssigkeits -Entnahmedüse 2', die gegebenenfalls vorgesehen
ist, entnommen. Die Flüssigkeit gelangt in die poröse Wand
der einzelnen Hohlfasern 4 ausgehend von deren
Außenwandoberfläche, durchläuft die poröse Wand und tritt dann in den
Hohlraum der einzelnen Fasern ein. Während der Passage der
Flüssigkeit durch die poröse Wand der einzelnen Hohlfasern
werden etwaige Verunreinigungen in der Flüssigkeit entfernt.
Ein im Hohlraum der einzelnen Fasern gesammeltes Filtrat wird
durch mindestens einen der Filtrat-Entnahmeöffnungen von
Sammlern 2A, 2B, die auf die Enden der Hohlfasern aufgesetzt
sind, entnommen.
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Erfindungsgemäß nimmt der Durchmesser des Hohlraums der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 kontinuierlich über einen
Abstand von mindestens 5% der Düsenwand ab, bezogen auf die
gesamte Länge der Düsenwand von ihrer Einlaßöffnung in Richtung
zu ihrer äußeren Öffnung. Der Durchmesser der Einlaßöffnung
beträgt im allgemeinen 105 bis 300%, vorzugsweise 110 bis
200% und insbesondere 110 bis 150%, bezogen auf den
Durchmesser des Hohlraums der Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 in einem
Abstand von 5% der Düsenwand von der Einlaßöffnung in
Richtung zur äußeren Öffnung. Die Art der Zunahme des inneren
Durchmessers der Flüssigkeits-Zuführungsdüse kann linear oder
kurvenförmig sein (wie jeweils durch die ausgezogene Linie
bzw. die gestrichelte Linie in Fig. 7 angegeben ist). Es ist
jedoch bevorzugt, daß die Zunahme des inneren Durchmessers
kurvenförmig erfolgt. Es ist besonders bevorzugt, daß die Art
der Zunahme des inneren Durchmessers eine solche Krümmung
aufweist, daß das untere Ende eines Querschnitts in
Längsrichtung der Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 so abgerundet ist,
daß es eine Kurve mit einem Radius (R) gemäß der Darstellung
in den Figg. 1 bis 4 ergibt. In Fig. 7 sind zwei bevorzugte
Arten der Zunahme des inneren Durchmessers der Flüssigkeits-
Zuführungsdüse 2 dargestellt.
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Aufgrund dieser Struktur der Flüssigkeits-Zuführungsdüse
2 wird der Widerstand gegen die Flüssigkeit in der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 auf einem Minimum gehalten, so daß der
Druck der Flüssigkeit in wirksamer Weise auf die Hohlfasern
ausgeübt werden kann.
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Was das Material für das Kontrollelement 1 für den
Flüssigkeitsstrom betrifft, gibt es keine speziellen
Beschränkungen, sofern das Material eine ausreichende Festigkeit und
eine ausreichende Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln
aufweist. Beispiele für geeignete Materialien für das
Strömungskontrollelement 1 sind die Materialien (vgl. die
nachstehenden Ausführungen), die sich für das zylindrische Gehäuse 3
eignen, wie Polyvinylchlorid, Polysulfon, Polyethylen und
Polypropylen. Beim Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung kann es sich um einen Formkörper handeln, der aus einem
beliebigen dieser Kunststoffe hergestellt ist. Die Form des
Kontrollelements 1 für die Flüssigkeitsströmung kann einen
kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweisen, wobei
aber eine kreisförmige Querschnittform bevorzugt wird.
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Der äußere Durchmesser des Kontrollelements 1 für die
Flüssigkeitsströmung unterliegt keinen speziellen
Beschränkungen, beträgt aber vorzugsweise etwa 50 bis etwa 98% des
inneren Durchmessers des Gehäuses 3. Wenn der äußere
Durchmesser des Kontrollelements 1 für die Flüssigkeitsströmung
größer als 98% des inneren Durchmessers des Gehäuses 3 ist,
ist der Druckverlust in der in das Modul eingeführten
Flüssigkeit zu groß, so daß der Filtrationswirkungsgrad
verringert wird. Ist andererseits der äußere Durchmesser des
Kontrollelements 1 für die Flüssigkeitsströmung kleiner als 50%
des inneren Durchmessers des Gehäuses 3, so ist die Anzahl an
Hohlfasern, die im Modul angeordnet werden kann, zu gering,
so daß der Filtrationswirkungsgrad pro Volumeneinheit des
Moduls gering wird.
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Die Länge des Kontrollelements 1 für die
Flüssigkeitsströmung unterliegt keinen speziellen Beschränkungen, beträgt
aber vorzugsweise etwa 3 bis etwa 30% und insbesondere etwa
10 bis 20% der Länge der im Modul angeordneten Hohlfasern.
Beträgt die Länge des Kontrollelements 1 für die
Flüssigkeitsströmung weniger als 3% der Länge der Hohlfasern, so ist
der Strömungskontrolleffekt gering, so daß der
Filtrationswirkungsgrad verringert wird und sich die Gefahr eines Bruchs
der Hohlfasern ergibt. Wenn die Länge des Kontrollelements
für die Flüssigkeitsströmung größer als 30% der Länge der
Hohlfasern ist, besteht die Gefahr, daß der
Filtrationswirkungsgrad verringert wird.
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Um ein sicheres Anbringen des Kontrollelements 1 für die
Flüssigkeitsströmung zu erzielen, kann das Kontrollelement 1
für die Flüssigkeitsströmung eine perforierte Struktur an
seinem, in den Befestigungsblock 5 einzubettenden Teil
aufweisen. Alternativ kann das Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung an seinem Umfang in dem Teil, der dem
ringförmigen Raum 6 zugewandt ist, Auflagevorrichtungen 8
aufweisen, die auf der Innenwandoberfläche des Gehäuses 3 ruhen, um
das Kontrollelement 1 zu stützen (vgl. die Figg. 5 und 6).
Ferner kann das Kontrollelement 1 für die
Flüssigkeitsströmung eine perforierte Struktur aufweisen, um einen Durchtritt
von Flüssigkeit zu ermöglichen. In der perforierten Struktur
sind Löcher in der Umfangswand des Kontrollelements 1 auf
Linien in gegenüberliegender Beziehung in etwa entlang der
Länge des Kontrollelements 1 ausgebildet, wobei sich die
Linien auf einer imaginären Ebene befinden, die die Mittelachse
und die Umfangswand des Kontrollelements 1 in rechten Winkeln
zur Längsachse der Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 schneidet.
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Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Figg. 3 und 4
beschrieben worden ist, weist in einer besonders bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung die Innenwandoberfläche des
zylindrischen Gehäuses 3 an ihrem Teil, der sich vom Endbereich
mit dem Kontrollelement 1 in Richtung zu einem zentralen
Bereich des Gehäuses 3 erstreckt und dem Kontrollelement 1
gegenüberliegt, einen verjüngten Querschnittbereich auf, so daß
der innere Durchmesser des zylindrischen Gehäuses 3 in
Richtung zum zentralen Bereich klein wird. Der verjüngte
Querschnitt ist mit einem Winkel (θ) von vorzugsweise nicht
größer
als 45º und insbesondere von nicht größer als 30º
verjüngt, wie vorstehend erwähnt ist.
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In der besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann dann, wenn das Modul nur eine
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 aufweist, die Innenwandoberfläche des
zylindrischen Gehäuses 3 auf der Seite ohne das Kontrollelement 1
einen verjüngten Querschnittbereich aufweisen, so daß der
innere Durchmesser des zylindrischen Gehäuses 3 in Richtung zum
zentralen Bereich klein wird, wobei aber auch dieser
verjüngte Querschnittbereich entfallen kann. Jedoch ist es
insbesondere dann, wenn das Modul eine Flüssigkeits-Entnahmedüse
2' aufweist, bevorzugt, einen verjüngten Querschnittbereich
in der Innenwandoberfläche des Gehäuses 3 auf der Seite mit
der Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' vorzusehen (wie in den Figg.
3 und 4 dargestellt ist), und zwar im Hinblick auf eine
Verringerung des Widerstands gegen eine Flüssigkeitsströmung und
auf eine Verringerung des nachteiligen Einflusses auf die
Fasern (Ziehen in Richtung zur Flüssigkeits-Entnahmedüse 2').
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Was das Material des zylindrischen Gehäuses 3 betrifft,
gibt es keine speziellen Beschränkungen, sofern das Material
zufriedenstellende Eigenschaften in bezug auf Formgebung,
Festigkeit und Lösungsmittelbeständigkeit aufweist. Zu
repräsentativen Beispielen für derartige Materialien gehören
Polyvinylchlorid, Polycarbonat, Polysulfon, ein
Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymeres, Polyethylen,
Polypropylen, Polyetheretherketon und Polyvinylidenfluorid.
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Hinsichtlich der im erfindungsgemäßen Filtermodul
verwendeten porösen Hohlfaser 4 gibt es keine speziellen
Beschränkungen. Es können beliebige herkömmliche Hohlfasern
verwendet werden. Zu bevorzugten Beispielen für Hohlfasern
gehören solche aus einem thermoplastischen Harz, wie
Polysulfon. Bezüglich Einzelheiten von Hohlfasern wird auf die US-
Patente 4 351 860, 4 286 015 und 4 822 489 verwiesen.
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Das erfindungsgemäße Hohlfaserfiltermodul kann in
vorteilhafter Weise im Großmaßstab für die Reinigung von
Flüssigkeiten eingesetzt werden. Daher weist das erfindungsgemäße
Modul im allgemeinen große Abmessungen auf. Für den Bau eines
großen Moduls ist es erfindungsgemäß bevorzugt, daß es eine
zusammengesetzte Struktur aufweist, bei der das zylindrische
Gehäuse (a) ein Segment mit der Düse und (b) ein
zylindrisches Rohrsegment, das vom Segment (a) getrennt ist,
aufweist, wobei die Segmente (a) und (b) miteinander durch
Verkleben oder Verschweißen verbunden sind, wie in Fig. 4
gezeigt ist. Bei einer derartigen zusammengesetzten Struktur
erweist sich die verjüngte Querschnittform der
Innenwandoberfläche des zylindrischen Gehäuses 3 als besonders wirksam in
bezug auf die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe. Bei
herkömmlichen Filtermodulen eines Typs, bei dem das zylindrische
Gehäuse (a) mindestens ein Segment mit einer Düse und (b) ein
zylindrisches Rohrsegment, das vom Segment (a) getrennt ist,
umfaßt, wobei die Segmente (a) und (b) miteinander durch
Verkleben oder Verschweißen verbunden sind, gibt es einen
stufenartigen Vorsprung gemäß der vorstehenden Definition in den
Verbindungsbereichen der Innenwandoberfläche des Gehäuses,
wobei der stufenartige Vorsprung einen Widerstand gegen eine
Flüssigkeitsströmung hervorruft und eine nachteilige
Kanalbildung in der Strömung verursacht. Dieses Problem wird durch
die verjüngte Querschnittform des Verbindungsbereichs in der
Innenwandoberfläche des zylindrischen Gehäuses 3 in
geschickter Weise beseitigt.
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Ferner ist es bevorzugt, daß die Verbindungsbereiche der
äußeren Oberfläche des zylindrischen Gehäuses 3 keinen
stufenartigen Vorsprung aufweisen. Wenn die Verbindungsbereiche
an der äußeren Oberfläche des Gehäuses einen stufenartigen
Vorsprung aufweisen, besteht dann, wenn Lösungsmittel an den
Verbindungsbereichen haftet, die Gefahr, daß das
Lösungsmittel auch nach dem Waschen nicht vollständig entfernt wird.
Somit besteht die Gefahr, daß im Laufe längerer Zeitspannen
das Lösungsmittel die mechanische Festigkeit des Gehäuses
verringert. Unter einer Form "ohne stufenartigen Vorsprung"
der äußeren Oberfläche des Gehäuses 3 ist eine Form zu
verstehen, bei der selbst dann, wenn ein stufenartiger
Vorsprung, der sich mit einem Gradienten von 45º oder mehr
erhebt, auf der äußeren Oberfläche des Gehäuses 3 im
Verbindungsbereich zwischen dem Düsensegment 9 und dem
zylindrischen Rohrsegment 10 gebildet ist, die Höhe des stufenartigen
Vorsprungs nicht mehr als 100% und insbesondere nicht mehr
als 60% der Wanddicke des zylindrischen Rohrsegments beträgt.
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Das erfindungsgemäße Filtermodul weist eine besonders
günstige Wirkung auf, insbesondere wenn es bei hoher
Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt wird. Im
allgemeinen beträgt bei einer hohen
Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeit die lineare Geschwindigkeit einer Flüssigkeit in der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 0,5 m/Sekunde oder mehr. Die
Wirkung der Erfindung erweist sich als besonders günstig, wenn
die lineare Geschwindigkeit in der
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 1,0 m/Sekunde oder mehr beträgt.
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Wie vorstehend ausgeführt, eignet sich das
erfindungsgemaße Hohlfaserfiltermodul zur Verwendung bei einer Filtration
unter äußerem Druck. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß
das erfindungsgemäße Filtermodul auch in vorteilhafter Weise
bei einer Filtration vom Innendrucktyp verwendet werden kann,
wenn das Filtermodul periodisch einem Rückwaschvorgang mit
einer Waschflüssigkeit unterzogen werden muß. Im Fall der
Anwendung einer Filtration vom Innendrucktyp wird die
Flüssigkeits-Zuführungsdüse als Auslaß für ein Filtrat verwendet.
Die Rückwaschflüssigkeit wird in das Modul durch die
Flüssigkeits-Zuführungsdüse (die als Auslaß für das Filtrat
verwendet worden ist) eingeleitet. Somit wird der Druckverlust der
Rückwaschflüssigkeit auf ein Minimum gesenkt, so daß die
Wirkung des Rückwaschvorgangs stark erhöht wird, ohne daß ein
nachteiliger Einfluß auf die Hohlfasern ausgeübt wird.
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Der Grund, warum das erfindungsgemäße Filtermodul eine
so günstige Wirkung aufweist, ist noch nicht geklärt. Es
lassen sich jedoch folgende Annahmen machen. Da im
erfindungsgemäßen Filtermodul der Druckverlust einer durch die
Flüssigkeits-Zuführungsdüse eingeführten Flüssigkeit auf ein Minimum
gesenkt wird und die Innenoberfläche des Gehäuses 3 im
wesentlichen keinen stufenförmigen Vorsprung aufweist, ergibt
sich eine gleichmäßige, hohe
Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeit entlang der Innenoberfläche des Gehäuses bei einem
minimalen Widerstand gegen die Strömung. Aufgrund der hohen
Strömungsgeschwindigkeit wird das Bündel der Hohlfasern in
radialer Richtung gedehnt, wodurch der Zwischenraum zwischen
den Hohlfasern zunimmt, so daß der Druck der Flüssigkeit in
wirksamer Weise auf die Hohlfasern über die gesamte Dicke des
Bündels ausgeübt wird. Diese Wirkung ist besonders günstig
bei der Ausführungsform, bei der die Innenwandoberfläche des
Gehäuses 3 einen verjüngten Querschnittbereich aufweist, so
daß der Innendurchmesser des Gehäuses in Richtung zum
zentralen Bereich klein wird. Ferner läßt sich im erfindungsgemäßen
Filtermodul eine Flüssigkeitsströmung in Längsrichtung
erreichen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig ist, wodurch die
Belastung der Hohlfasern verringert wird. Dadurch wird ein
Bruch der Hohlfasern vermieden und eine Anreicherung von
Verunreinigungen auf den Fasern aufgrund von Stauerscheinungen
verhindert. Somit läßt sich ein Filtrationswirkungsgrad
erreichen, der über lange Zeiträume hinweg stabil ist.
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Das erfindungsgemäße Hohlfaserfiltermodul kann in
vorteilhafter Weise zur Trennung/Reinigung von Flüssigkeiten
eingesetzt werden, insbesondere bei der Filtration vom
Außendrucktyp. Das erfindungsgemäße Hohlfaserfiltermodul eignet
sich insbesondere bei der Filtration von Wasser im
Großmaßstab. Repräsentative Beispiele für Anwendungen des
erfindungsgemäßen Filtermoduls sind die Herstellung von
ultrareinem Wasser zum Waschen von Halbleitern und die Reinigung von
Wasser in Wasserbehandlungseinrichtungen. Durch Verwendung
des erfindungsgemäßen Filtermoduls läßt sich eine Filtration
vom Außendrucktyp in vorteilhafter Weise über längere
Zeiträume stabil durchführen, wobei sich ein minimaler
Druckverlust einer in das Modul eingeführten Flüssigkeit selbst
bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sowie eine minimale
Verringerung des Filtrationswirkungsgrads im Lauf der Zeit
ergeben.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Beispiele ausführlich beschrieben, wobei die Beispiele den
Schutzumfang der Erfindung nicht beschränken sollen. In den
Beispielen entspricht die Einheit kg/cm² einem Wert von 0,98
bar.
Beispiel 1
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Ein Hohlfaserfiltermodul der in Fig. 4 gezeigten Art
wird zusammengebaut, wobei aus beiden Enden ein Ultrafiltrat
gewonnen werden kann. Das Modul umfaßt (i) ein zylindrisches
Gehäuse 3 aus Polysulfon mit einer
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 an einem Endbereich des zylindrischen Gehäuses 3 und
einer Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' am anderen Endbereich des
zylindrischen Gehäuses 3, (ii) ein Bündel aus 7200
Polysulfon-Hohlfasern 4 für Ultrafiltrationszwecke, die jeweils
einen Innendurchmesser von 0,65 mm und einen Außendurchmesser
von 1,10 mm sowie eine Reinwasser-Durchlässigkeit von 1,35
Liter/h kg/cm² m bei 25ºC aufweisen, und (iii) ein
zylindrisches, hohles Flüssigkeitströmungs-Kontrollrohr 1 aus
Polypropylen mit einem Außendurchmesser von 124 mm. Das
Faserbündel 4 ist im zylindrischen Gehäuse 3 in dessen Längsrichtung
angeordnet und flüssigkeitsdicht an dessen beiden Endteilen
mit Epoxyharz-Fixierungsblöcken 5, 5, die flüssigkeitsdicht
in die Endteile des zylindrischen Gehäuses 3 eingesetzt sind,
befestigt. Das Rohr 1 ist so angeordnet, daß es einen Endteil
des Bündels aus Polysulfon-Hohlfasern 4 einschließt, und ist
an dessen Endteil an einem der Epoxyharz-Fixierungsblöcke 5,
5 befestigt, wobei eine wirksame Rohrlänge (Länge eines Teils
des Rohrs 1, das nicht in den Epoxyharz-Fixierungsblock 5
eingebettet ist) von 130 mm gewährleistet ist. Die wirksame
Hohlfaserlänge (Länge eines Teils einer Hohlfaser, das nicht
in die Epoxyharz-Fixierungsblöcke 5, 5 eingebettet ist) der
Hohlfasern 4 beträgt 930 mm.
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Jede der Düsen 2, 2' umfaßt eine äußere Öffnung, eine
Einlaßöffnung in der Umfangswand des zylindrischen Gehäuses
und eine vom Umfang der Einlaßöffnung in der Umfangswand des
zylindrischen Gehäuses ausgehende und zur äußeren Öffnung
verlaufende zylindrische Düse und weist einen ausgedehnten
zylindrischen Hohlraum auf, der durch die Innenoberfläche der
Düsenwand, die sich von der äußeren Öffnung in Richtung zur
Einlaßöffnung erstreckt, definiert ist. Der zylindrische
Hohlraum weist mit Ausnahme des inneren Endteus der
Düsenwand in der Nähe der Einlaßöffnung überall einen Durchmesser
von 33 mm auf. Der untere innere Endteil der Düsenwand ist
auf einen Krümmungsradius von 5 mm abgerundet, so daß die
Einlaßöffnung der Düse einen größeren Durchmesser als der
zylindrische Hohlraum aufweist. Der Innendurchmesser des
Gehäuses 3 beträgt an seinen beiden Endteilen 143 mm und nimmt
über eine Länge von 28 mm in einem Bereich, wo das mit der
Düse versehene Segment 9 und das zylindrische Rohrsegment 10
miteinander verbunden sind, auf ein Minimum von 130 mm ab.
Somit weist die Innenwandoberfläche des zylindrischen
Gehäuses einen verjüngten Querschnittbereich auf, in dem der
verjüngte Querschnitt mit einem Winkel (θ) von etwa 13º verjüngt
ist.
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Bei der Herstellung des Gehäuses 3 werden das die Düse
aufweisende Segment 9 und das zylindrische Rohrsegment 10,
das nicht mit einer Düse versehen ist und eine Wanddicke von
5 mm aufweist, getrennt hergestellt und miteinander mit einem
Klebstoff verbunden, wodurch man das Gehäuse 3 erhält. Die
innere Oberfläche des Rohrsegments 10 ist gemäß der
Darstellung in Fig. 4 verjüngt, wodurch man die vorerwähnte
Veränderung des Innendurchmessers für das Gehäuse 3 erreicht, ohne
im wesentlichen einen stufenartigen Vorsprung zu bilden.
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Reinwasser von 25ºC wird durch die Düse 2 in das Modul
mit einer Geschwindigkeit von 9,5 m³/h eingespeist.
Filtrations-Restwasser wird als konzentrierte Flüssigkeit durch die
Düse 2' mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m³/h entnommen,
wodurch man eine Ultrafiltration mit einer Geschwindigkeit von
9,0 m³/h erreicht.
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Der für die Ultrafiltration erforderliche Druck gemäß
der nachstehenden Definition beträgt 5 Minuten nach Beginn
der Wasserzufuhr 1,00 kg/cm² und nach 200-stündiger
kontinuierlicher Ultrafiltration 1,01 kg/cm². Nach 200-stündiger
kontinuierlicher Ultrafiltration wird kein Bruch der
Hohlfasern beobachtet.
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Der für die Ultrafiltration erforderliche Druck ist
durch die nachstehende Formel definiert:
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worin Pi den Druck (kg/cm²) am Einlaß des zugeführten
Wassers, d. h. am Hohlraum der Düse 2 wiedergibt; Po
den
Druck (kg/cm²) am Auslaß des Einspeisungswassers, d. h. am
Hohlraum der Düse 2', wiedergibt; Pf&sub1; den Druck (kg/cm²)
eines Filtratentnahmeauslasses am Stutzen 2A wiedergibt; und
Pf&sub2; den Druck (kg/cm²) am Filtratentnahmeauslaß des Stutzens
2B wiedergibt.
Beispiel 2
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Das Verfahren von Beispiel 1 wird im wesentlichen
wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Abrundung des Rohrsegments
10 nicht erfolgt, so daß ein stufenartiger Vorsprung von 5 mm
(d. h. 3,6% des Innendurchmessers des Gehäuses 3) mit einem
Gradienten von 90º an der Innenoberfläche des Gehäuses 3 in
einem Bereich vorliegt, wo das mit der Düse versehene Segment
9 und das Rohrsegment 10 miteinander verbunden sind.
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In bezug auf das Ultrafiltrationsverhalten bei einer
Geschwindigkeit von 9,0 m³/h beträgt der erforderliche Druck 5
Minuten nach Beginn der Ultrafiltration 1,03 kg/cm² und nach
200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration 1,10 kg/cm².
Nach 200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration wird kein
Bruch von Hohlfasern festgestellt.
Beispiel 3
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Ein Hohlfaserfiltermodul der in Fig. 1 dargestellten
Art, bei dem aus beiden Enden ein Ultrafiltrat gewonnen
werden kann, wird zusammengebaut. Das Modul umfaßt (i) ein
zylindrisches Polysulfon-Gehäuse 3 mit einer
Flüssigkeits-Zuführungsdüse 2 an einem Endteil des zylindrischen Gehäuses 3
und eine Flüssigkeits-Entnahmedüse 2' am anderen Endteil des
zylindrischen Gehäuses 3, wobei das Gehäuse 3 einen entlang
der Achse des Gehäuses 3 unveränderlichen Innendurchmesser
von 130 mm aufweist, (ii) ein Bündel aus 7200 Polysulfon-
Hohlfasern 4, die für die Ultrafiltration geeignet sind und
jeweils einen Innendurchmesser von 0,65 mm und einen
Außendurchmesser von 1,10 mm aufweisen und eine
Reinwasser-Durchlässigkeit von 1,35 Liter/h kg/cm² m bei 25ºC besitzen, und
(iii) ein zylindrisches, hohles Kontrollrohr 1 aus
Polypropylen für die Flüssigkeitsströmung mit einem Außendurchmesser
von 124 mm. Das Faserbündel 4 ist im zylindrischen Gehäuse 3
in Längsrichtung angeordnet und flüssigkeitsdicht an seinen
beiden Endteilen mit Epoxyharz-Fixierungsblöcken 5, 5, die
flüssigkeitsdicht in die Endteile des zylindrischen Gehäuses
3 eingesetzt sind, befestigt. Das Rohr 1 ist so angeordnet,
daß es einen Endteil des Bündels aus Polysulfon-Hohlfasern 4
einschließt, und ist an seinem Endteil mit einem der
Epoxyharz-Fixierungsblöcke 5, 5 befestigt, wobei sich eine
effektive Rohrlänge (Länge eines Teils des Rohrs 1, das nicht in
den Epoxyharz-Fixierungsblock 5 eingebettet ist) von 180 mm
ergibt. Die effektive Hohlfaserlänge (Länge eines Teils der
Hohlfaser, das nicht in die Epoxyharz-Fixierungsblöcke 5, 5
eingebettet ist) der Hohlfasern 4 beträgt 930 mm.
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Die einzelnen Düsen 2, 2' umfassen eine äußere Öffnung,
eine Einlaßöffnung in der Umfangswand des zylindrischen
Gehäuses und eine zylindrische Düsenwand, die vom Umfang der
Einlaßöffnung in der Umfangswand des zylindrischen Gehäuses
zur äußeren Öffnung verläuft und einen ausgedehnten
zylindrischen Hohlraum aufweist, der durch die innere Oberfläche der
Düsenwand, die sich von der äußeren Öffnung in Richtung zur
Einlaßöffnung erstreckt, definiert ist. Der zylindrische
Hohlraum weist mit Ausnahme des unteren, inneren Endteils der
Düsenwand in der Nähe der Einlaßöffnung überall einen
Durchmesser von 33 mm auf. Der untere, innere Endteil der
Düsenwand ist mit einem Krümmungsradius von 5 mm abgerundet, so
daß die Einlaßöffnung der Düse einen größeren Durchmesser als
der zylindrische Hohlraum aufweist. In diesem Beispiel ist
die in Beispiel 1 vorgesehene Verjüngung für das zylindrische
Gehäuse 3 nicht verwirklicht.
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Reinwasser von 25ºC wird durch die Düse 2 in das Modul
mit einer Geschwindigkeit von 9,5 m³/h eingespeist.
Filtrations-Restwasser wird als konzentrierte Flüssigkeit durch die
Düse 2' mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m³/h entnommen,
wodurch sich eine Ultrafiltration mit einer Geschwindigkeit von
9,0 m³/h ergibt.
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Der für die Ultrafiltration erforderliche Druck beträgt
5 Minuten nach Beginn der Wasserzufuhr 1,00 kg/cm² und nach
200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration 1,10 kg/cm².
Nach 200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration wird kein
Bruch von Hohlfasern festgestellt.
Beispiel 4
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Es wird im wesentlichen das gleiche Verfahren wie in
Beispiel 3 wiederholt, mit der Ausnahme, daß bei der
Herstellung des Gehäuses 3 das mit der Düse versehene Segment 9 und
das zylindrische Rohrsegment 10 getrennt hergestellt und
miteinander verbunden werden und daß die innere Oberfläche des
Rohrsegments 10 so verjüngt ist, daß der Innendurchmesser des
Gehäuses 3 an seinen beiden Endteilen 143 mm beträgt und über
eine Länge von 14 mm in einem Bereich, wo das mit der Düse
versehende Segment 9 und das zylindrische Rohrsegment 10
miteinander verbunden sind, auf ein Minimum von 130 mm abnimmt.
Somit weist die Innenwandoberfläche des zylindrischen
Gehäuses einen verjüngten Querschnittbereich auf, in dem der
verjüngte Querschnitt mit einem Winkel (θ) von etwa 25º verjüngt
ist.
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Reinwasser von 25ºC wird durch die Düse 2 in das Modul
mit einer Geschwindigkeit von 9,5 m³/h eingespeist, wodurch
sich eine Ultrafiltration mit einer Geschwindigkeit von 9,0
m³/h ergibt.
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Der für die Ultrafiltration erforderliche Druck beträgt
5 Minuten nach Beginn der Wasserzufuhr 1,01 kg/cm² und nach
200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration 1,03 kg/cm².
Nach 200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration wird kein
Bruch von Hohlfasern festgestellt.
Beispiel 5
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Das Verfahren von Beispiel 3 wird im wesentlichen
wiederholt, mit der Ausnahme, daß bei der Herstellung des
Gehäuses 3 das mit der Düse versehene Segment 9 und das
zylindrische Rohrsegment 10 getrennt hergestellt und miteinander
verbunden werden und daß die innere Oberfläche des Rohrsegments
10 so verjüngt ist, daß der Innendurchmesser des Gehäuses 3
an seinen beiden Endteilen 143 mm beträgt und über eine Länge
von 6,5 mm in dem Bereich, wo das mit der Düse versehende
Segment 9 und das zylindrische Rohrsegment 10 miteinander
verbunden sind, auf ein Minimum von 130 mm abnimmt. Somit
weist die Innenwandoberfläche des zylindrischen Gehäuses
einen verjüngten Querschnittbereich auf, in dem der verjüngte
Querschnitt mit einem Winkel (θ) von etwa 45º verjüngt ist.
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Reinwasser von 25ºC wird durch die Düse 2 in das Modul
mit einer Geschwindigkeit von 9,5 m³/h eingespeist, wodurch
sich eine Ultrafiltration mit einer Geschwindigkeit von 9,
m³/h ergibt.
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Der für die Ultrafiltration erforderliche Druck beträgt
5 Minuten nach Beginn der Wasserzufuhr 1,01 kg/cm² und nach
200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration 1,05 kg/cm².
Nach 200-stündiger kontinuierlicher Ultrafiltration wird kein
Bruch von Hohlfasern festgestellt.
Vergleichsbeispiel 1
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Das Verfahren von Beispiel 3 wird im wesentlichen
wiederholt, mit der Ausnahme, daß der Hohlraum der Düse 2 einen
entlang der Achse der Düse 2 unveränderten Durchmesser von 33
mm aufweist und daß keine Rundung des unteren, inneren
Endteils der Düsenwand der Düse 2 vorgenommen wird.
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Eine Ultrafiltration wird durch Einspeisen von
Reinwasser von 25ºC durch die Düse 2 in das Modul vorgenommen. Der
zur Erzielung einer Ultrafiltrationsgeschwindigkeit von 9,0
m³/h erforderliche Wasserdruck beträgt 1,3 kg/cm².