DE69714622T2

DE69714622T2 - Filter und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE69714622T2
Application number: DE69714622T
Authority: DE
Inventors: Lawrence Sebastian Rajnik; Dell Joseph St. Julien; Yuming Xie
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: EP0787524A1; BR9700823A; NO970358D0; EP0787524B1; JPH09313831A; ID15857A; NO970358L; DE69714622D1

Description

Vorrichtung zum Verändern eines Ausgangsmaterials und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen für eine Flüssigkeitsveränderung mit entweder einem stranggepressten Einkörperaufbau oder einem ineinandergeschachtelten Aufbau mit Durchgängen in Form von abgestumpften bzw. abgeschnittenen Bögen. Die Vorrichtungen sind hervorragend zum Liefern eines niedrigen Gegendruckes und einer hohen Flussrate pro Flächeneinheit geeignet und besonders als Membranunterstützungen nützlich. Dieser Aufbau kann bei der Filterung oder Trennung von Gasen oder Flüssigkeiten oder für andere Reaktionen verwendet werden.
Extrudierte bzw. stranggepresste Keramikrohre oder Monolithe werden zum Filtern oder Trennen von Gasen und Flüssigkeiten verwendet. Derartige Verwendungen beinhalten das Filtern von Bier zum Entfernen aktiver Hefe und das Filtern von Wasser zum Entfernen von Substanzteilchen. Eine weitere Verwendung finden die Keramikkörper bei der Trennung von Gasgemischen, wie beispielsweise der Trennung von Wasserstoff aus Methanol. Ein Beispiel für einen für diese Anwendung nützlichen Körper ist ein extrudiertes und gebranntes Tonerde- oder Mullitrohr, das einen Zeolithmembran aufweist. Eine weitere Verbesserung davon ist es, ein Extrudat zu verwenden, welches eine Vielzahl von zylindrischen Kanälen aufweist, die parallel zur Richtung der Extrusion (typischerweise in Richtung der Längsachse) ausgerichtet sind. Typischerweise sind sieben, elf, neunzehn, achtundzwanzig, einundreißig oder siebenunddreißig parallele, zylindrische Kanäle in einer hexagonalen Weise oder in zunehmenden konzentrischen Ringen angeordnet, wie in den Fig. 1 und 1a durch die Bezugszeichen a und c dargestellt ist.
Die Flüssigkeit oder das Gas, welches durch den Filter hindurchgetreten ist, wird allgemein als Filtrat oder Durchsatz bezeichnet. Eine Schwierigkeit mit dieser Geometrie besteht darin, dass das Filtrat einen relativ langen und gewundenen Weg von einem inneren Kanal (beispielsweise Kanal a in Fig. 1a) zu dem Äußeren des Extrudats (z. B. b in Fig. 1a) zurücklegen muß. Nahe dem Äußeren angeordnete Kanäle (z. B. Kanal c in Fig. 1a) erleiden auch Störungen von dem Durchsatz von den inneren Kanälen. Daraus resultierend kann, wenn mehr als ein zylindrischer Kanal oder mehr als ein Ring von Kanälen vorhanden ist, ein hoher Gegendruck und eine verringerte Flußrate des Filtrats pro Flächeneinheit des Filters vorhanden sein. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeit.
Oft ist der extrudierte Körper zum Bilden einer Membran beschichtet, welche sich von der Größe des extrudierten Körpers unterscheidet. Diese Membran kann aus Polymeren, Keramiken, Gläsern und Metallen mit besonderer Porosität oder chemischer Aktivität hergestellt sein. Oft sind diese Membrane aus Teilchen enthaltenen Papieren gebildet. Eine zusätzliche Schwierigkeit mit den Standard-Mehrkanal-Geometrien besteht darin, dass sie schwer mit Teilchen enthaltenen Papieren zu beschichten sind, da die Beschichtung den Flüssigkeitsfluß durch den keramischen Körper beeinflußt. Ein Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluß von dem Papier kann für die Beschichtungsgleichmäßigkeit und -adhäsion schädlich sein.
Verschiedene Filtrations- und Trennungsvorrichtungen sind in den US-Patenten 5 108 601, 4 781 831, 5 009 781 und 4 222 874 beschrieben. Im allgemeinen weisen diese Vorrichtungen die Nachteile entweder eines uneffizienten Durchflusses und einer uneffizienten Entfernung des Filtrates oder einer relativ komplexen Herstellung auf.
Beispielsweise beziehen sich die US-Patente 5 108 601, 4 781 831 und 5 009 781 des Inhabers Goldsmith auf Querfluß- Filtrationsvorrichtungen, die aus einem porösen Material hergestellt sind und einer Trennung eines Ausgangsmaterials in ein Filtrat und ein Retentat bzw. einen Rückstand dienen. Diese Vorrichtungen definieren eine Anzahl von Durchgangswegen, welche sich longitudinal von der Zuführ-Stirnseite zu der Rückstand-Stirnseite des Aufbaus erstrecken und welche als Membranträger dienen können. Im allgemeinen besitzen diese Vorrichtungen eine Anzahl von Filtratkammern, welche über die Durchgangswege zum Entfernen des Filtrats zum Sicherstellen eines gewünschten Druckabfalls von einer der Durchgangswände zu einer nahegelegenen Kammer verteilt sind. Die Ausgestaltung und Herstellung dieser Vorrichtungen weisen einige Beschränkungen auf. Beispielsweise beschreibt Goldsmith mehrere Reihen von Durchgangswegen zu einer Filtratkammer. Diese Anordnung resultiert in einem erheblichen Gegendruck beim Filtrationsbetrieb, wobei sich der Fluß beim Hindurchtreten des Materials durch die Vorrichtung verringert. Dieser Unterschied in dem Fluß ist nicht akzeptabel. Zum Ausgleich dieses Gegendruckes ist die Porösität und die Porengröße dieser Vorrichtungen realtiv groß. Jedoch sind große Poren nicht wünschenswert, wenn Membrane verwendet werden oder wenn die Trennungseigenschaften der Vorrichtung von der Porengröße abhängt. Es wäre vorteilhaft, die Porengröße und die Porösität der Vorrichtung ohne Verluste der Filtrations- und Trennungseffizienz (d. h. das Verhältnis der Menge des gefilterten Materials zu der Menge des Materials, welches durch die Vorrichtung ohne gefiltert oder getrennt zu werden hindurchtritt) zu variieren. Bei Goldsmith findet nicht der gesamte Oberflächenbereich aufgrund der Flußbeschränkungen seiner Vorrichtungen Verwendung. Eine weitere Schwierigkeit bei den Vorrichtungen von Goldsmith besteht in der Komplexität der Herstellung.
Connelly beschreibt in dem US-Patent 4 222 874 ein relativ kleines Rohr für einen inneren Durchgang des Durchsatzes. Connelly beschreibt Mehrfach-Durchsatzleitungen (d. h. Kanäle), jedoch kommunizieren diese lediglich durch die Stirnseiten der Vorrichtung. Connelly liefert lediglich ein paar weit voneinander beanstandete Kanäle.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verändern eines Ausgangsmaterials geschaffen, welche aus einem Aufbau für einen Durchgang eines Ausgangsmaterials hergestellt ist. Der Aufbau kann entweder ein extrudierter Einkörperaufbau oder ein ineinandergeschachtelter Aufbau sein. Der Aufbau besitzt einen inneren und einen äußeren Abschnitt, eine Längsachse und Wände, welche zwei Gruppen von offenen Durchgängen definieren, welche sich entlang der Längsachse erstrecken. Die beiden Gruppen von Durchgängen besitzen unterschiedliche Querschnittsformen oder -abmessungen verglichen miteinander, wobei jeder Durchgang der einen Gruppe benachbart zu wenigstens einem Durchgang der anderen Gruppe oder zu dem Äußeren des Aufbaus liegt. Wenn der Aufbau ineinandergeschachtelt ist, besitzt wenigstens eine Gruppe von Kanälen einen Querschnitt in Form von abgestumpften bzw. abgeschnittenen Bögen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Einkörperaufbaus geschaffen, welches ein Extrudieren einer plastizierten Rohmaterialmischung durch eine Form beinhaltet, gefolgt von einer Hitzebehandlung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Veränderung eines Ausgangsmaterials geschaffen, welches ein Führen eines Ausgangsmaterials in die Vorrichtung durch eine Gruppe der Durchgänge hindurch für eine Veränderung des Ausgangsmaterials und danach ein Hindurchführen des Ausgangsstromes in und durch die andere Gruppe von Kanälen zu dem Äußeren der Vorrichtung beinhaltet.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines extrudierten Mehrkanalaufbaus gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 1a zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des Aufbaus in Fig. 1.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines extrudierten Aufbaus gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Ausgangskanälen und Löchern für eine Zusammenleitung.
Fig. 2a zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts des Aufbaus in Fig. 2.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer Vorrichtung, die ähnlich derjenigen in Fig. 2 ist, welche jedoch eine größere Anzahl an Primärkanälen aufweist.
Fig. 4, 5 und 6 zeigen schematische Diagramme von Querschnitten von Vorrichtungen, die ähnlich zu derjenigen in Fig. 3 sind, welche jedoch verschiedene Zahlen von Primärkanälen und Ausgangskanälen aufweisen.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer Vorrichtung, welche die Form einer abgeflachten Ellipse besitzt und kreisförmige Primärkanäle und rechtwinklige und abgestumpfte bogenförmige Ausgangsgänge aufweisen.
Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit im wesentlichen dreieckigen Ausgangskanälen.
Fig. 8a zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts der Vorrichtung in Fig. 8.
Fig. 9 und 10 zeigen schematische Diagramme von Querschnitten von Vorrichtungen mit rechtwinkligen oder schlitzförmigen Ausgangskanälen, welche gebohrte Löcher für eine Verbindung mit der Außenseite darstellen.
Fig. 9a und 10a zeigen jeweils Querschnitte der Vorrichtungen aus den Fig. 9 und 10, wobei die Querschnitte zwischen den gebohrten Löchern vorgenommen wurden.
Fig. 11 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer Vorrichtung mit radialen Ausgangskanälen.
Fig. 12 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts eines Aufbaus mit einer Vielzahl von konzentrischen Ringen.
Fig. 13 zeigt ein schematisches Diagramm eines Rings, der ähnlich dem inneren Ring aus Fig. 12 ist, lediglich mit geschlitzten Abstandshaltermitteln.
Fig. 14 zeigt ein schematisches Diagramm eines Rings, der ähnlich dem inneren Ring aus Fig. 12 ist, lediglich mit spiralförmigen Abstandshaltermitteln.
Fig. 15a und 15b zeigen schematische Diagramme von Querschnitten von einzelnen Ringen, welche zum Herstellen der Vorrichtung aus Fig. 12 ineinandergeschachtelt werden können.
Fig. 16 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit zusammengeschachtelten Ringen.
Fig. 16a, 16b und 16c zeigen schematische Diagramme von Querschnitten von einzelnen Ringen, welche die Vorrichtung aus Fig. 16 bilden.
Fig. 17 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts eines Rings von Primärkanälen, welcher mit anderen Ringen zum Bilden einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ineinandergeschachtelt werden kann.
Fig. 18 und 19 zeigen schematische Diagramme von Teilquerschnitten von Vorrichtungen, welche verschiedene Ausgestaltungen von Durchgängen darstellen.
Fig. 20, 21, 22 und 23 zeigen schematische Diagramme von Querschnitten von Vorrichtungen, welche verschiedene Ausgestaltungen von Durchgängen zeigen.
Fig. 24 und 25 zeigen schematische Diagramme von rechteckigen Vorrichtungen mit rechteckigen Durchgangswegen.
Fig. 24a und 25a zeigen jeweils schematische Diagramme von Querschnittsansichten von den Vorrichtungen in den Fig. 24 und 25.
Fig. 26 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung mit schlitzähnlichen Primärkanälen und Ausgangskanälen.
Fig. 26a zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die ähnlich zu derjenigen aus Fig. 26 ist, lediglich mit gekerbten Seiten, durch welche die Ausgangskanäle mit der Außenseite kommunizieren bzw. verbunden sind.
Fig. 27 zeigt einen Querschnitt der Vorrichtung, bei welcher die Primärkanäle in zwei Ringen angeordnet sind und welche kreisförmige bogenförmige Ausgangskanäle aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung für eine Flüssigkeitsveränderung, welche einen geringeren Gegendruck und eine höhere Flußrate pro Flächeneinheit liefert als die Vorrichtungen, welche augenblicklich in Verwendung sind. Die Vorrichtung kann ein extrudierter Einkörper- oder ein monolithischer Kernaufbau sein, oder er kann ein ineinandergeschachtelter Aufbau sein.
Die Aufbauten sind aus inneren und äußeren Abschnitten hergestellt und weisen eine Längsachse auf. Der äußere Abschnitt umfaßt die Außenflächen und Stirnseiten, während der innere Abschnitt den Abschnitt innerhalb des äußeren Abschnitts aufweist. Wände innerhalb des Aufbaus definieren mehrere offene Durchgänge, welche im wesentlichen parallel zu der Längsachse sind, oder mit anderen Worten, welche sich parallel zu der Richtung der Extrusion erstrecken. Es gibt zwei Gruppen von Durchgängen, welche sich voneinander durch unterschiedliche Abmessungen und/oder Querschnittsformen und Querschnittsflächen unterscheiden. Alle Durchgangswege einer vorgegebenen Gruppen funktionieren im wesentlichen gleich. Jeder Durchgang einer Gruppe liegt benachbart zu wenigstens einem Durchgang der anderen Gruppe oder zu dem Äußeren des Aufbaus. Diese Anordung der Durchgänge liefert den Vorteil eines geringeren Gegendruckaufbaus in der Vorrichtung während einer Filtration, Trennung oder während anderer Betriebe.
In Anwendungen wie beispielsweise Filtration oder Trennung wird eine Gruppe von Durchgängen als Primärkanäle und die andere Gruppe als Ausgangskanäle bezeichnet. Größtenteils werden in dieser Beschreibung die beiden Gruppen von Durchgängen als solche bezeichnet. Der Querschnittsbereich der Ausgangskanäle kann größer oder kleiner sein als derjenige der Primärkanäle. Als allgemeine Regel gilt, dass die Ausgangskanäle ein größeren Querschnitts-Längenverhältnis aufweisen als die Primärkanäle.
Mit einem Einkörperaufbau ist gemeint, dass die Aufbauten in einem Stück extrudiert sind. Der Vorteil beim Herstellen eines Einstück- oder Einkörperaufbaus, in welchem beide Gruppen von Durchgängen fertig gebildet sind, besteht darin, dass die Aufbauten leicht herzustellen sind und mit einem geringeren Arbeitsaufwand hergestellt werden können. Beispielsweise werden weniger Herstellungsschritte nach der Extrusion für eine Verbindung der Kanäle mit Verbindungsbereichen benötigt. Zusätzlich besitzen die extrudierten Aufbauten im allgemeinen die gleiche oder eine größere Stärke als die Aufbauten, welche aus separaten vorgebildeten Bauteilen herstellt sind.
Mit einem ineinandergeschachtelten Aufbau ist gemeint, dass der Aufbau aus zylindrischen Bauteilen zusammengebaut ist, welche einzeln extrudiert oder auf andere Weise hergestellt sind, und welche in der Querschnittsgröße derart verschieden sind, dass sie ineinander passen. Die ineinandergeschachtelten Aufbauten der vorliegenden Erfindung weisen einige ihrer Durchgänge in Form von abgeschnittenen Kreisbögen auf, welche normalerweise konzentrisch sind. Die abgeschnittenen Bögen dienen gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, als Ausgangskanäle.
Im allgemeinen weist die Vorrichtung neben dem extrudierten Aufbau weitere Merkmale oder Modifikationen auf.
Beispielsweise weist die Vorrichtung Mittel zum Zusammenführen der Ausgangskanäle auf. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass der Aufbau eine oder mehrere Öffnungen definiert, welche die Ausgangskanäle schneiden und die geschnittenen Ausgangskanäle mit dem Äußeren des Aufbaus zum Schaffen einer Verbindung zwischen den einzelnen Ausgangskanälen, und zwischen den Ausgangskanälen und der Außenseite des Aufbaus. Ein derartiges Zusammenführen kann mittels Bohren von Löchern an geeigneten Stellen bewerkstelligt werden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung Mittel für eine Isolation der Ausgangskanäle von dem Ausgangsmaterial auf. Dies kann beispielsweise durch Verschließen der Ausgangskanäle an ihren Enden zum Verhindern eines Eintritts einer Flüssigkeit außer des Ausgangsstromes, beispielsweise des Filtrates, bewerkstelligt werden. Falls das Verschließen der Enden der Ausgangskanäle erwünscht ist, können Glas, Polymere mit Silikonen, beispielsweise Silikongummi, Abdichtungen aus verschiedenen Materialien, Bänder, Wachse, Metalle und Keramiken verwendet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können Dichtmittel zum Abdichten wenigstens eines Teils der äußeren Flächen des Aufbaus verwendet werden. Die Dichtmittel dienen zum Verhindern, dass das Material durch diese Flächen in den Aufbau eintritt oder aus diesem Aufbau heraustritt. Die Dichtmaterialien können die selben nicht porösen Materialien sein, welche als Abschlußmaterialien verwendet werden.
Einige Vorrichtungen verwenden sowohl Abschluß- als auch Abdichtungsmaterialien, wie beispielsweise insbesondere in Fig. 26a dargestellt ist.
Die Porösität und die Porengröße der Vorrichtung können abhängig von der Anwendung variieren und die folgende Erfindung ist nicht auf irgendeine Porosität oder Porengröße beschränkt. Falls die Vorrichtung als Filter oder als Substrat für eine hochporöse Membran verwendet wird, weist die Durchschnittsporengröße vorzugsweise einen Durchmesser von ungefähr 2 bis 100 Mikrometer auf. Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können eine feinere Porengröße aufweisen, als andererseits für Filter mit mehreren Kanälen nützlich sein würde, und somit kann auch eine Durchschnittsporengröße mit einem Durchmesser von ungefähr 0,01 bis 2 Mikrometer nützlich sein. Genauso wie bei der Porengröße kann die Volumenporosität abhängig von der Anwendung variieren. Vorzugsweise liegt die Volumenporosität in einem Bereich von ungefähr 15% bis 90%. Porositäten, die kleiner als ungefähr 15 % sind, werden normalerweise nicht bevorzugt, und Porositäten, die größer als ungefähr 90% sind, sind schwer herzustellen, obwohl sie nützlich sein würden.
Die Vorrichtungen können in jeder Anwendung verwendet werden, in welcher Flüssigkeiten verarbeitet werden, d. h. welche einen Durchgang für eine Flüssigkeit durch dieselbe erfordern, beispielsweise zur Aufnahme und Veränderung eines Ausgangsmaterials oder -stromes und zum Ausladen des resultierenden geänderten Stromes, beispielsweise bei einer Filtration, einer Mikrofiltration, einer Ultrafiltration, einem Rück- Diffusionsverfahren bzw. einer Umkehrosmose, Gastrennungen, einer Verdampfung, Anwendungen mit Reaktionen wie beispiels¬ weise Oxidation, Reduktion, Isomerisation, etc.. Einige Verwendungen sind für eine Filterung von Bier zum Entfernen aktiver Hefe und andere Mikrobefilteranwendungen, eine Filterung von Wasser zum Entfernen von Substanzteilchen, ein Trennen von Gasgemischen, wie beispielsweise Trennen von Wasserstoffgas und Wassertoffkarbonen. Weitere Verwendungen beinhalten Gastrennungen, bei denen eine Membran verwendet wird. Solche Anwendungen können unter Verwendung von Zeolithmembranen Trennungen beinhalten. Beispiele beinhalten ein Trennen von Isomeren, wie beispielsweise Ortho-, Para- und Metaxylene unter Verwendung von Zeolithmembranen, ein Trennen von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft unter Verwendung von chemischen ioniischen Leitern, wie beispielsweise La0.2Sr0, 8Fe0.6Co0.40x, und ein Trennen von CO2 aus CH&sub4; unter Verwendung von Carbon- bzw. Kohlenstoffmembranen.
Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere als Filter zum Trennen eines Ausgangsmaterials in ein Filtrat oder einen Durchsatz und einen Rückstand ausgebildet. Das Ausgangsmaterial in Form eines Mischgases tritt in die Vorrichtung an einem Ende ein und eine Trennung tritt auf, wenn das Gas entlang den Primärkanälen läuft. Membrane sind mehrpermeabel bzgl. eines oder mehrerer der Gase in dem Ausgangsmaterial und weniger permeabel bzgl. anderer. Die permeablen Gase treten durch die Membran hindurch und laufen durch die Vorrichtung zu den Ausgangskanälen oder aus der äußeren Fläche heraus. Die Durchsatzgase innerhalb der Kanäle treten aus der Vorrichtung durch in den Seiten der Vorrichtung gebohrte Löcher oder Schlitze hindurch. Die Ausgangskanäle liefern offene, mit einem niedrigen Gegendruck versehene Wege für den Durchsatz. Vorzugsweise sind die Ausgangskänale derart ausgestattet, dass der Durchsatz nur von dem Primärkanal zu einem benachbarten Ausgangskanal laufen muß, um aus der Vorrichtung auszutreten. Ein Platzieren jedes Primärkanals benachbart zu wenigstens einem Ausgangskanal oder zu dem Äußeren der Vorrichtungen hat die Wirkung, dass der Gegendruck verringert und die Flußrate pro Flächeneinheit vergrößert wird.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, jeden Primärkanal benachbart zu entweder zwei Ausgangskanälen oder nahe zu einem Ausgangskanal und dem Äußeren des Aufbaus anzuordnen.
Um den größten Nutzen aus dem verfügbaren Oberflächenbereich in dem Aufbau zu erzielen, ist die Anzahl an Ausgangskanälen vorzugsweise wesentlich kleiner als die Anzahl an Primärkanälen, während die Ausgangskanäle nahe den Primärkanälen gehalten werden. Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Verwendung bei im wesentlichen allen der verfügbaren Flächenbereiche, beispielsweise des Membranflächenbereiches, wenn eine Membran benutzt wird.
Eine nützliche Anordnung besteht darin, wenigstens drei Primärkanäle nahe jedem Ausgangskanal aufzuweisen, um somit die Anzahl von Ausgangskanälen zu begrenzen und die Schwierigkeit beim Zusammenführen zu verringern.
Vorzugsweise weisen die Ausgangskanäle einen Querschnitt mit einem Längenverhältnis größer als ungefähr drei auf. Das Querschnitts-Längenverhältnis ist das Verhältnis der Querschnittslänge/Querschnittsbreite der Leitungsöffnung bzw. Kanalöffnung.
Der Abstand zwischen den Durchgängen einer Gruppe übersteigt den Abstand zwischen diesen Durchgängen und einem benachbarten Durchgang der anderen Gruppe. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den Primärkanälen größer als der Abstand zwischen den Primärkanälen und den Ausgangskanälen. Diese Anordung ermöglicht einen gleichmäßigeren Fluß, insbesondere in Beschichtungsanwendungen, wobei der Fluß des Beschichtungsmaterials durch die zu beschichtenden Durchgänge verbessert wird.
Da die Geometrie der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen niedrigeren Gegendruck ermöglicht, ist die Vorrichtung nicht auf eine spezifische Porösität oder Porengröße beschränkt. Daher ist die Vorrichtung besser als andere augenblicklich verwendete Vorrichtungen zum Aufnehmen und Halten eines Membrans geeignet.
Die Primärkanäle können eine Beschichtung oder eine Membran aufweisen, die die Form einer Beschichtung annehmen kann, um verschiedene Trennungen zu bewirken, und die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte/ein bestimmtes Beschichtung, Membran oder Trennungsschema beschränkt. Die Membran oder Beschichtung unterscheidet sich von dem Umfang bzw. der Größe des extrudierten Körpers. Diese Membran kann aus Polymeren, Keramiken, Glas, beispielsweise Silikonen, Aluminium, Titanium, Mullit, Kohlenstoff und Metallen mit einer bestimmten Porösität oder chemischen Aktivität gebildet werden. Oft werden diese Membrane aus Teilchen aufweisenden Papieren gebildet. Eine nützliche Beschichtung ist eine Kohlenstoffbeschichtung, beschrieben in dem US-Patent 5 451 444, welches am 29. Januar 1993 angemeldet wurde. Dieses Patent betrifft das Bilden ei¬ ner kontinuierlichen ununterbrochenen Kohlenstoffbeschichtung auf einem Substrat, durch Berühren des Substrates mit einem Carbonvorläufer, beispielsweise einem Harz, der nachfolgend carbonisiert und aktiviert ist. Wie vorher bereits erläutert, besteht eine zusätzliche Schwierigkeit bei den Standard- Mehrkanalgeometrien darin, dass sie schwer mit Teilchen enthaltenen Papieren zu beschichten sind, da das Beschichten den Flüssigkeitsfluß durch den keramischen Körper beeinflußt. Ein Widerstand gegenüber dem Flüssigkeitsfluss durch das Papier kann für eine Beschichtungsgleichförmigkeit und -adhäsion schädlich sein. Die Vorteile eines niedrigen Gegendrucks und einer hohen Flussraten der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können den zusätzlichen Vorteil einer einheitlichen Beschichtung liefern.
Die Ausgangskanäle können zum Schaffen der gewünschten Funktionalität, beispielsweise Filtration, Gastrennung oder einer katalysatorischen oder absorptiven Aktivität beschichtet werden. Die Ausgangskanäle können auch mit Mitteln zum Liefern eines zweiten Gases oder einer zweiten Flüssigkeit ausgestattet werden. Dieses zweite Gas oder diese zweite Flüssigkeit kann ein Ablenkgas, ein reaktives Gas oder ein Gasgemisch sein.
Der Aufbau kann aus Keramik, Glaskeramik, Glas, Plastik, Wachs, molekularem Sieb, Kohlenstoff, Metall, Polymeren, Ionen-Austauschharzen und Kombinationen der vorherigen Materialien hergestellt sein.
Alle Pulver, die unter die obige Klasse subsummiert werden oder die, wenn sie hitzebehandelt oder gebrannt werden, Materialien in der oben beschriebenen Klasse liefern, können verwendet werden. Unter Kombinationen versteht man physikalische oder chemische Kombinationen, beispielsweise Gemische oder Zusammensetzungen.
Einige keramische Pulvermaterialien, welche nützlich sein können, sind Dichroit, Mullit, Lehm, Kalk, Zirkon, Zirkonium, Spinell, Tonerde und ihre Vorläufer, mullitbehaftete Tonerde, Kieselerde und ihre Vorläufer, Silikate, Aluminate, Lithium- Aluminiumsilikate, Tonerde-Kieselerde, Feldspat, Titanium, verschmolzene Kieselerde, Nitride, Carbide, Boride, beispielsweise Silikoncarbide, Silikonnitride oder Gemische der voranstehenden. Die bevorzugten Materialien sind Mullite, mullitbehaftete Tonerde, Tonerde, Titanium und Kombinationen der voranstehenden.
Im allgemeinen ist das Pulvermaterial reines Pulver (im Gegensatz zu grobgekörnten Materialien), wobei einige Komponenten des selben entweder Plastizide, wie beispielsweise Lehme, wenn sie mit einem Mittel wie beispielsweise Wasser gemischt werden, beinhalten können oder wenn sie mit organischen Materialien, wie beispielsweise mit einem organischen Bindemittel, verbunden werden, zu der Plastizität beitragen können.
Einige Arten von monekularen Sieben, die ebenfalls verwendet werden können, sind Carbon-Molekularsiebe, Zeolithe, welche besonders geeignet und bevorzugt sind, Tonerdephosphate, Metallphosphate, Kieselerde-Tonerdephosphate und Kombinationen der vorangehenden. Einige bevorzugte Zeolithe sind vom Faujasite-Typ, beispielsweise Y-Zeollithe, Pentasile, beispielsweise vom ZSM-Typ wie beispielsweise ZSM-5, Mordenite und Beta, und Kombinationen der vorangehenden.
Die Erfindung ist geeignet für eine Verwendung mit Metallpulvern. Jedes sinterbare Metall oder jede sinterbare Metallverbindung kann in der Praxis der folgenden Erfindung verwendet werden. Insbesondere geeignet sind die Eisengruppenmetalle, Chrom und Aluminiumverbindungen, wobei das bevorzugte Eisen¬ gruppenmetall Eisen ist. Besonders bevorzugt sind Eisen, Aluminium und Chrom. Beispielsweise Fe5-20Al5-40Cr und Fe7- 10Al10-20Cr-Pulver mit anderen möglichen Zugaben sind besonders geeignet. Einige typische Verbindungen von Metallpulvern sind in den US-Patenten 4 992 233, 4 758 272 und 5 427 601 beschrieben.
Plastizierte Gemische der oben beschriebenen Pulver werden durch eine Form in den Einkörperaufbau extrudiert und danach getrocknet. Die Extrusionsformen für eine bestimmte Filterausgestaltung können durch die jeweiligen Fachleute hergestellt werden.
Der getrocknete Aufbau wird dann zum Bilden des fertigen Produktaufbaus erhitzt und gebrannt. Die Brennbedingungen für die Temperatur und Zeit hängen von der Zusammensetzung, Größe und Geometrie des Aufbaus ab und die folgende Erfindung ist nicht auf bestimmte Brenntemperaturen und Zeiten beschränkt. Beispielsweise betragen die Temperaturen bei Gemischen, die vornehmlich zum Bilden von Mullit verwendet werden, ungefähr 1400ºC bis ungefähr 1600ºC und die Brennzeiten liegen zwischen ungefähr 1 Stunde und ungefähr 6 Stunden. Die Brennzeiten hängen von Faktoren ab, wie beispielsweise Art und Menge der Materialien und Naturell des Equipments, jedoch liegen typische Gesamt-Brennzeiten zwischen ungefähr 20 Stunden und ungefähr 80 Stunden. Für Metallkörper betragen die Temperaturen zwischen ungefähr 1000ºC und 1400ºC in einer verringerten Atmosphäre, vorzugsweise Wasserstoff. Die Brennzeiten hängen von den oben erläuterten Faktoren ab, liegen jedoch typischerweise zwischen wenigstens 2 Stunden und typischerweise ungefähr 4 Stunden. Für Zeolithkörper liegen die Temperaturen ungefähr zwischen 400ºC und 1000ºC in Luft. Die Brennzeiten hängen von den oben erläuterten Faktoren ab, betragen jedoch typischerweise ungefähr 4 Stunden.
Bei Kohlenstoffpulver ist im allgemeinen aktivierter Kohlenstoff gemeint. Jeder erhältliche aktivierte Kohlenstoff kann verwendet werden.
Kohlenstoff- bzw. Carbonvorrichtungen können aus Kohlenstoffteilchen oder aus Kohlenstoffvorläufern wie beispielsweise Harzen hergestellt werden, die carbonisiert und dann zum Bilden von aktivierten Carbon aktiviert werden.
Die durch aktiviertes Carbon geformte Vorrichtung kann durch Extrudieren von Gemischen von aktivierten Carbonteilchen gemäß aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herstellt werden. Beispielsweise können die aktivierten Carbonteilchen mit passenden Bindemitteln, wie beispielsweise mit verschiedenen Lehmarten, wie beispielsweise in dem US-Patent 4 518 704 beschrieben wird, kombiniert werden. Ein weiteres Verfahren besteht darin, eine Knetmasse zu extrudieren, welche einen ausgehärteten Harz, einen wasserlöslichen ausgehärteten harzigen Zusatz als Bindemittel und eine Extrusionshilfe umfaßt, gefolgt von einem Trocknen und einem Hitzebehandeln, wie in dem US-Patent 4 399 052 beschrieben ist.
Die aus aktiviertem Carbon geformte Vorrichtung kann aus einem Carbon-Vorläufer, wie beispielsweise einem ausgehärteten Harz, z. B. einem Phenolharz, hergestellt werden. Dies kann durch Bilden eines Gemisches aus von Harz und Bindemitteln, Extrudieren in den geformten Aufbau, gefolgt von einer Carbonisierung und Aktivierung gemäß gut bekannten Verfahrensschritten bewerkstelligt werden.
Der durch aktiviertes Carbon gebildete Aufbau kann mittels Extrudieren eines Gemisches aus einem gehärteten Harz, welcher entweder fest, wie beispielsweise Phenol-Novolak, oder flüssig, wie beispielsweise Pheonl-Resol, mit einer hohen Viskosität von beispielsweise 0,1-1 Pa·s (100-1000 cps), Füllern, temporären organischen Bindemitteln, wie beispielsweise Methylcellulose und/oder seinen Erzeugnissen, und wahlweise Extrusionshilfen, beispielsweise Sodium-Stearat, mittels Trocken der gebildeten Form und mittels Ausheilen des Harzes und Carbonisieren und Aktivieren des Carbons zum Bilden des Aufbaus hergestellt werden.
Die Gesamtform des Aufbaus kann zylindrisch, hexagonal, oval einschließlich eines elliptischen Querschnitts mit abgeflachten Ellipsen, rechtwinklig, etc. sein. Die Durchgänge können Querschnitte aufweisen, welche zylindrisch, hexagonal, dreieckig, quadratisch, rechtwinklig, schlitzähnlich oder anderweitig geformt sind, welche während des Extrusionsverfahrens gebildet und die Geometrie der Extrusionsform wiederspiegeln. Die Durchgänge können in konzentrischen Ringen, sich wiederholenden Reihen, hexagonalen Feldern, oder ähnlich angeordneten geometrischen Mustern oder Kombinationen der vorangehenden angeordnet werden. Formen und Abmessungen können für eine Anpassung an die Anforderungen der bestimmter Anwendung variiert werden. Beispielsweise müssen die Kanäle, wenn eine Membran oder eine Beschichtung auf die Kanäle aufgebracht wird, eine ausreichende Abmessung zum Ermöglichen eines Aufgebrachtwerden des Membrans oder der Beschichtung und zum Ermöglichen des Anhaftens des Membrans oder der Beschichtung an den Kanalwänden aufweisen und dauerhaft sein. Die Ausgangskanäle müssen ausreichende Abmessungen zum Ermöglichen einer effizienten Entfernung der Komponente aufweisen, welche durch die Membran oder die Beschichtung hindurchtritt. Sowohl die Kanäle als auch die Ausgangskanäle müssen eine Ausgestaltung aufweisen, welche extrudiert werden kann.
Es wird im folgenden Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, welche die am meisten nutzvollen Ausgestaltugen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des extrudierten Einkörperaufbaus sind die Primärkanäle in konzentrischen Ringen angeordnet. Die Ausgangskanäle sind Bögen, welche konzentrisch mit den Ringen der Primärkanäle angeordnet sind und zwischen den Ringen der Primärkanäle derart liegen, dass jeder Ring der zylindrischen Primärkanäle benachbart bzw. nahe einem Ausgangskanalbogen oder benachbart zu dem Äußeren des Körpers liegt. Die Bogenlänge des Querschnitts der Kanalbögen ist größer als der Durchmesser der zylindrischen Primärkanäle. Um die Anzahl der Ausgangskanäle geringer als die Anzahl der Primärkanäle beim Anordnen der Ausgangskanäle benachbart zu den Primärkanälen zu halten, wird die Querschnittsausdehnung des Ausgangskanals vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, derart aufrechterhalten, dass er drei oder mehrere Primärkanäle in benachbarten Ringen überdeckt. Ebenso ist das Querschnitts-Längenverhältnis der Ausgangskanäle größer als ungefähr 3 : 1, so dass sie schmal und lang sind. Auf diese Weise ist die Anzahl der Ausgangskanäle klein verglichen mit der Anzahl der Primärkanäle. Das von den Ausgangskanälen eingenommene Volumen wäre klein, was in einer leichten Herstellung resultiert. Zum Zusammenführen bzw. Zusammenleiten der Ausgangskanäle werden Löcher von dem Äußeren des Körpers in einer Normalenrichtung zu der Oberfläche des Körpers und senkrecht zu der Ebne oder dem Bogen des Ausgangskanals gebohrt, so dass die Löcher alle Ausgangskanäle schneiden. Der Oberflächenbereich derartiger Vorrichtungen kann gleich oder größer sein als ungefähr 328 m² (Kanalfläche für eine Membran)/m³ (100 ft²/ft²) des Aufbaus.
Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 illustriert, welche eine Ansicht der Vorrichtung 1 zeigt, und in der Fig. 2a, welche eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in Fig. 2 entlang der Linie A-A zeigt. In Fig. 2a sind alle Primärkanäle 2 benachbart zu der äußeren Fläche der Vorrichtung 3 oder zu den Ausgangskanälen 4 dargestellt. Die Ausgangskanäle sind durch Bilden von longitudinalen Säulen während der Extrusion gebildet. Die Mittel zum Zusammenführen werden durch Löcher 5 geschaffen, welche in Normalenrichtungen zu der Oberfläche des Monolithes gebohrt werden. Diese Löcher penetrieren in das Innere des Monolithes derart, dass alle Ausgangskanäle mit dem Äußeren verbunden sind. Ein Fluß des Filtrates besteht sowohl durch die Ausgangskanäle über die gebohrten Löcher als auch durch die äußere Fläche des extrudierten Körpers. Dies ist durch die Pfeile in Fig. 2a dargestellt.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, die ähnlich derjenigen in Fig. 2 ist, jedoch mit einer größeren Anzahl an Primärkanälen 2.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer Vorrichtung mit 247 zylindrischen Öffnungen, welche in 7 Ringen angeordnet sind. Zweihundertsechzehn davon sind Durchgangswege 7 für die Flüssigkeit. Einunddreißig davon sind Scheinkanäle 8, welche als geeignete Stellen für die Verbindungskanäle 9 vorgesehen werden, welche periodisch entlang der Länge der Vorrichtung gebohrt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet Scheinkanäle solche Kanäle, welche in dem einen Körper extrudiert werden, welche jedoch nicht als Primärkanäle sondern lediglich als Abstandshalter oder als Mittel zum Verbessern der Gleichmäßigkeit der Extrusion dienen. Die Vorrichtung beinhaltet Säulen 10 derart, dass alle abgestumpften Bogenkanäle 11 offengehalten werden. Vorzugsweise werden einige der Scheinkanäle radial ausgerichtet. Am meisten wird bevorzugt, dass alle Scheinkanäle radial ausgerichtet werden. Eine radiale Ausrichtung ist vorteilhaft, da sie eine leichtere Bohrung durch die Verbindungskanäle ermöglicht. In Fig. 4 sind die Scheinkanäle und die Säulen derart gegeneinander gedreht, dass sie nicht überlappen. Jedoch können sie in der Tat zusammenfallen. Die Vorrichtung aus Fig. 4 besitzt Durchgangswände 12, welche überall gleichmäßig sind. Die Vorrichtung enthält auch einen mittigen Kanal 13. Aus Gründen der Stärke kann es vorteilhaft sein, die äußersten Durchgangswände oder die Außenhaut 14 dicker als die inneren Durchgangswände 12 auszugestalten. Dies verringert etwas die Gleichförmigkeit des Flusses durch die Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer größeren Vorrichtung als derjenigen in Fig. 4. Fig. 5 zeigt 492 Primärkanäle 15, die in 11 Ringen 17 angeordnet sind, und 79 Scheinkanäle 16 und abgestumpte Bogen- Ausgangskanäle 4. Falls der Aufbau mit einem 7,6 cm (3") großen Durchmesser mit Kanälen mit ungefähr einem Durchmesser von 1,5 mm, und Ausgangskanälen mit einer Breite von ungefähr 0,635 mm (25 mil) und mit Wänden mit einer Dicke von 0,584 mm (23 mil) hergestellt wird, würde diese Vorrichtung ungefähr 498 m² an Durchgangswegen pro m³ des monolithischen Aufbaus (151,9 ft² pro ft³ des Monoliths) aufweisen.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm einer weiteren Vorrichtung mit kreisförmigen Primärkanälen 2, welche in 3 Linien angeordnet sind, und mit abgeschnittenen bogenförmigen Ausgangskanälen 4.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, welche insgesamt eine ovale Ausgestaltung aufweist, welche im Querschnitt eine abgeflachte Ellipse oder eine Rennbahnform aufweist, mit im wesentlichen rechtwinkligen Ausgangskanälen 21 und mit abgestumpften bogenförmigen Ausgangskanälen 4. Die Primärkanäle sind mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der monolithische Aufbau mehrere kreisförmige Primärkanäle parallel zu der Längsachse des Extrudates aufweisen und die außenherum angeordneten Ausgangskanäle können andere Querschnittsgeometrien als die Bögen aufweisen. Eine Abmessung des Querschnitts des Ausgangskanals ist größer als der Durchmesser der zylindrischen Primärkanäle. Beispiele von möglichen Querschnittsgeometrien für die Ausgangskanäle beinhalten dreieckige, quadratische, hexagonale, rechteckige, ovale Geometrien und Kombinationen der vorangehenden. Löcher sind von dem Äußeren der Vorichtung in einer Normalenrichtung oder in einem kleinen Winkel von der Normalen zu der Oberfläche des Monolithes gebohrt. Die gebohrten Löcher schneiden alle Ausgangskanäle und das Äußere der Vorrichtung.
In Fig. 8, welche eine Gesamtansicht einer Vorrichtung 24 darstellt, und in Fig. 8a, welche eine Querschnittsansicht der Vorrichtung aus Fig. 8 entlang der Linie B-B zeigt, sind die Primärkanäle 25 benachbart zu dem Äußeren der Vorrichtung 26 oder benachbart zu den Ausgangskanälen 27 angeordnet, welche einen äußerst dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Löcher 28 sind zum Darstellen einer Zusammenleitung gebohrt. Die Pfeile in der Fig. 8a zeigen die Richtung des Flusses eines Ausgangsstromes bzw. Auslaßstromes aus der Vorrichtung.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung, in der die Ausgangskanäle 29 äußerst rechtwinklig oder schlitzförmig sind. Löcher 30 sind zum Ermöglichen einer Verbindung mit dem Äußeren der Vorrichtung gebohrt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Primärkanäle 32 in einem Ring nahe der äußeren Fläche 31 und in Reihen zwischen den rechtwinkligen Ausgangskanälen angeordnet.
Fig. 9a ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung aus Fig. 9 entlang einer Ebene zwischen den gebohrten Löchern.
Fig. 10 zeigt, wie die in Fig. 9 dargestellte Geometrie zu sehr großen Aufbauten mit einer großen Anzahl von Primärkanälen ausgedehnt werden können. Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, welche eine große Anzahl von Ausgangskanälen 29 und vier Gruppen von Löchern 30 enthält, welche zum Liefern einer Verbindung zu der Außenseite durch die äußere Fläche 31 gebohrt sind. Die Primärkanäle sind mit den Bezugszeichen 32 bezeichnet. Die Pfeile indizieren die Flußrichtung aus der Vorrichtung.
Fig. 10a zeigt eine Querschnittsansicht der Vorrichtung aus Fig. 10 entlang einer Ebene zwischen den gebohrten Löchern.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Aufbau ein poröser extrudierter Monolith mit einer Vielzahl von zylindrischen Primärkanälen, welche parallel zu der Längsachse des Extrudates und in konzentrischen Ringen angeordnet sind. Der Aufbau weist auch radiale Ausgangskanäle auf, welche sich von nahe der Außenfläche des extrudierten Körpers zu Punkten innerhalb des Inneren derart erstrecken, dass jeder Primärkanal benachbart zu einem radialen Ausgangskanal oder benachbart zu dem Äußeren des Aufbaus liegt. Eine Abmessung des Querschnitts des Ausgangskanals ist größer als der Durchmesser der zylindrischen Primärkanäle. Als Mittel zum Zusammenführen der Ausgangskanäle werden Löcher von dem Äußeren des Aufbaus in einer Normalenrichtung zu der Fläche des Aufbaus und senkrecht zu der Ebene oder dem Bogen des Ausgangskanals derart gebohrt, dass die Löcher alle Ausgangskanäle schneiden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die gebohrten Löcher optional, da die radialen Ausgangskanäle beinahe die Oberfläche des Aufbaus erreichen.
Ein Kanalmuster für Aufbauten mit radialen Ausgangskanälen ist in Fig. 11 illustriert. In Fig. 11 sind die Ausgangskanäle 37 derart vorgesehen, dass jeder Primärkanal 38 benachbart zu einem radialen Ausgangskanal liegt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der monolithische Aufbau mehrere konzentrische Ringe aufweisen, wobei jeder Ring mehrere Primärkanäle besitzt, welche gewöhnlich eine zylindrische Form aufweisen und parallel zu der Längsachse des Aufbaus angeordnet sind. Die inneren Ringe können konzentrisch mit den äußeren Ringen durch Dichtungen, Pfropfen, Huckel oder Rippen entlang ihren Längen gehalten werden. Falls Rippen verwendet werden, können Schlitze oder Rillen in die Rippen als Zusammenleitungsmittel für eine Verbindung zwischen benachbarten Bereichen der Ausgangskanäle geschnitten werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine maximale Anzahl von Primärkanälen und minimiert die Komplexität der Extrusionsform. Diese Aufbauten können als Einkörper extrudiert werden, oder sie können durch eine Ineinanderschachtelung einzelner extrudierter Ringe hergestellt werden.
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts einer solchen zylindrisch geformten Vorrichtung. Die Primärkanäle 39 sind in konzentrischen Ringen vorhanden. Abstandshaltermittel 40 sind ein integraler Bestandteil der inneren Ringe und bilden die Ausgangskanäle 41. Ein mittiger Kanal ist mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet. Der äußere Ring ist mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet und der innere Ring mit dem Bezugszeichen 94. Die Primärkanäle sind alle benachbart zu dem Inneren oder dem Äußeren jedes Rings angeordnet. Eine Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren, wie beispielsweise zwischen 42 und 41, wird durch die Löcher 45 geschaffen, welche durch jeden Ring gebohrt sind, wobei die Löcher ein Mittel zum Zusammenleiten bilden.
Fig. 15a zeigt einen Ring 50, welcher getrennt von einem Ring 51 aus Fig. 15b und in den Ring 51 geschachtelt extrudiert werden kann, um eine Vorrichtung mit einem in Fig. 12 dargestellten Querschnitt bilden.
Um die Anzahl an Löchern in einer Vorrichtung, wie sie beispielsweise in Fig. 12 dargestellt ist, zu minimieren, können Schlitze durch die Abstandshaltermittel geschnitten werden. Dies ist in Fig. 13 dargestellt ist, in der ein Ring 46, ähnlich dem inneren Ring 44 in Fig. 12, Schlitze 47 aufweist.
Der Abstand kann auch in einer in Fig. 14 dargestellten Weise geschaffen werden, wobei ein Ring 48 Abstandshaltermittel 49 aufweist, welche nicht co-linear mit dem Aufbau sind, sondern welche sich um den Aufbau in einer helischen Ausgestaltung herum erstrecken.
Ein weiteres Beispiel von Ringen, welche getrennt extrudiert und dann manuell ineinandergeschachtelt werden, ist in Fig. 16 dargestellt. Fig. 16 zeigt die einfachste Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels. Der Aufbau in Fig. 16 ist aus einer Vielzahl von konzentrischen Ringen hergestellt, welche getrennt extrudiert und dann nach einer Hitzebehandlung zusammen ineinandergeschachtelt werden. In Fig. 16 besteht der innere Ring 52, auch dargestellt in Fig. 16a, aus einem Rohr 53, welches in einen mittleren Ring 54, ebenso in Fig. 16b dargestellt, eingeschachtelt wird, der wiederum in einen äußeren Ring 55, der ebenfalls in Fig. 16c dargestellt ist, eingeschachtelt wird. Abstandshalter oder Dichtungen 56 können an den Enden des Aufbaus zum Erhalten eines konstanten Abstandes zwischen den Ringen eingesetzt werden. Der Fluß verläuft durch die äußerste Ringfläche und durch die Ausgangskanäle, welche durch die Abstandshalter gebildet werden, und wird durch ein oder mehrere Löcher 57 ermöglicht, welche durch jeden konzentrischen Ring gebohrt sind und welche eine Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Vorrichtung herstellen. Der Ausfluss aus der Vorrichtung ist durch die Pfeile dargestellt.
Die Verbindungsmittel (gebohrten Löcher in Fig. 16) können gleichmäßig entlang der Länge des Aufbaus verteilt sein oder sie können nahe den Enden derart angeordnet sein, dass mit einer zusätzlichen äußeren Zusammenleitung ein Spülgas verwendet werden kann, welches in den Aufbau an einem Ende eintritt, die Länge des Aufbaus herunter- bzw. hindurchtritt und an den Mitteln austritt, die an dem gegenüberliegenden Ende vorgesehen sind, wobei es den Auslaßstrom mit sich trägt.
Fig. 17 zeigt einen Ring 58 von Primärkanälen 59, welche in zwei konzentrischen Ringen angeordnet sind, wobei der Ring manuell in andere Ringe zum Bilden einer Vorrichtung mit mehreren Rohren oder einer ineinandergeschachtelten Vorrichtung eingeschachtelt werden kann.
Das Konzept von nicht co-linearen Abstandshaltern kann auf die Ringe oder Säulen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele angewendet werden. Diese Säulen können während der Extrusion auf eine solche Weise bewegt werden, dass alle Ausgangskanäle zu dem Äußeren offen sind.
Fig. 18 und 19 zeigen Teilquerschnittsansichten von Vorrichtungen mit verschiedenen Ausgestaltungen von Durchgängen.
Fig. 18 zeigt rundgeformte Primärkanäle 60. Der Ausgangskanal 62 ist durch eine Wand definiert, die eine rippenförmige Konfiguration aufweist.
Fig. 19 zeigt runde Primärkanäle 63. Der Ausgangskanal 64 ist ein rechteckig geformter Schlitz.
Die Fig. 20, 21, 22 und 23 zeigen Gesamtquerschnittsansichten von Vorrichtungen, welche verschiede Konfigurationen von Durchgängen darstellen.
Fig. 20 zeigt einen Aufbau mit einem rechtwinkligen äußeren Querschnitt, schlitzähnlichen Ausgangskanälen 65 und mit Primärkanälen 66. Die Ausgangskanäle besitzen einen Querschnitt mit einem größeren Längenverhältnis als die Primärkanäle.
Fig. 21 zeigt einen Aufbau mit einem rechtwinkligen äußeren Querschnitt, runden Primärkanälen 67 und schlitzähnlichen Ausgangskanälen 68.
Fig. 22 zeigt schlitzähnliche Ausgangskanäle 69 und wellenförmige Primärkanäle 70. Die wellenförmigen Primärkanäle liefern einen großen Oberflächenbereich und immer noch einige Ausgangskanäle. Diese Vorrichtungen können für eine Trennung und Filtration verwendet werden. Die Ausgangskanäle dienen einer Reduzierung des Gegendrucks und einer Verbesserung des Durchsatzes. Diese Vorrichtungen sind geeignet für reaktive Verfahren, bei denen ein reaktives Gas oder eine Flüssigkeit durch die Ausgangskanäle zu den Primärkanälen geliefert wird. Die Vorrichtung ermöglicht ein kontrolliertes Einsetzen von reaktiven Spezien in die Primärkanäle. Einige Reaktionen, die besonders für diese Vorrichtungen geeignet sind, sind eine selektive Oxidation von Wasserstoffcarbonen, beispielsweise Methan bis Methanol, bei denen eine sauerstoffdurchlässige Membran ein Eingeführtwerden einer kontrollierten Menge eines Sauerstoffs in den reaktiven Strom ermöglicht. In einem derartigen Fall kann ein Katalysator innerhalb der Primärkanäle zum Erleichtern der Oxidationsreaktion vorgesehen werden. Die Membran besteht aus einem sauerstoffdurchlässigen Material, beispielsweise La0.2Sr0.8Fe0).6Co0.40x.
Fig. 23 zeigt sowohl Primärkanäle 71 als auch Ausgangskanäle 72 mit irregulären Formen. In dieser Vorrichtung ist eine Gruppe von Durchgängen zu wenigstens einer Fläche einer weiteren Gruppe von Durchgängen ausgebildet. Beispielsweise ist die Fläche 73 der Ausgangskanäle gekrümmt und zu der äußeren Ausgestaltung der Primärkanäle geformt. Diese Anordnung bietet den Vorteil, einen minimalen Abstand zwischen den Primärkanälen und benachbarten Ausgangskanälen zu besitzen, wobei das Ergebnis darin besteht, dass der Ausfluß von einem vorgegebenen Primärkanal einen sehr geringen Weg zu dem benachbarten Ausgangskanal zurückzulegen hat, wobei der Vorteil davon ist, dass eine effizientere Entfernung des Ausgangsstromes von der Vorrichtung erreicht wird. Zudem ermöglichen die gewundenen Formen der Primärkanäle einen größeren Oberflächenbereich.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen die Primärkanäle einen rechteckigen Querschnitt und die Primärkanäle sind parallel zu der Längsachse des Extrudates in sich wiederholenden Reihen angeordnet. Der Aufbau beinhaltet auch rechteckige Ausgangskanäle, die parallel zu den Reihen der Primärkanäle sind und zwischen den Reihen der Primärkanäle derart liegen, dass jede Reihe von Primärkanälen benachbart zu einem Ausgangskanal oder benachbart zu dem Äußeren des Körpers liegt. Der Querschnittsbereich der Ausgangskanäle ist größer als derjenige der Primärkanäle. Als Mittel für eine Zusammenleitung der Ausgangskanäle werden Löcher von dem Äußeren des Aufbaus in einer Normalenrichtung zu der Fläche des Körpers und senkrecht zu der Ebene der Ausgangskanäle derart gebohrt, dass die Löcher alle Ausgangskanäle schneiden.
Diese Ausführungsform wird durch die Beispiele in den Fig. 24 und 25 zusammen mit den Fig. 24a und 25a illustriert, welche jeweils in Querschnittsansicht dargestellt sind. Die Fig. 24 und 24a, ein Diagramm eines Querschnitts entlang der Linie A-A, zeigen einen Aufbau, bei dem alle Primärkanäle 74 benachbart zu dem Äußeren des Aufbaus oder zu den Ausgangskanälen 75 angefordert sind. Die Zusammenleitungsmittel werden durch Löcher 76 vorgesehen, welche durch das Monolith gebohrt sind und welche alle Ausgangskanäle schneiden. Die Enden der Ausgangskanäle sind verschlossen, um so eine Kontamination des Ausflusses mit dem Eingangsstrom zu verhindern. Fig. 25 ist ähnlich zu der Fig. 24, außer dass das gebohrte Muster unterschiedlich ist. Die gebohrten Löcher 77 verlaufen entlang Abschnitten des Aufbaus, welche die Ausgangskanäle offenhalten und eine Extrusion ermöglichen. Die Beispiele der Fig. 24, 24a, 25 und 25a zeigen zwei Verbindungsmittel zwischen dem Ausgangskanal und dem Äußeren. Der Ausfluß kann von dem Ausgangskanal 78 aus Fig. 25 und 25a durch einen Kanal benachbart zu dem Äußeren 79 oder durch ein gebohrtes Loch von dem Äußern entlang den Säulen 77 in Fig. 25 oder 25a, oder zwischen säulenartigen Elementen 76 in Fig. 24 oder 24a hindurchtreten. Die Primärkanäle in den Fig. 25 und 25a sind mit den Bezugszeichen 80 gekennzeichnet.
Fig. 26 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren nutzvollen extrudierten Aufbaus 81. In diesem Aufbau sind die Primärkanäle und die Ausgangskanäle schlitzförmig. Die Ausgangskanäle 82 besitzen ein größeres Querschnitts- Längenverhältnis als die Primärkanäle 82. Es ist an der Vorderseite des Aufbaus 84 erkennbar, dass sich die Ausgangskanäle über die Primärkanäle hinaus ausdehnen. Diese Anordnung ermöglicht ein Zusammenführen der Ausgangskanäle und eine Verbindung derselben mit dem Äußeren durch Kerben der Seiten des Aufbaus, wie in Fig. 26a dargestellt ist. Die Kerben 85 sind in der Seite des Aufbaus für eine Optimierung der Entfernung des Auslaßstromes, beispielsweise des Filtrates, des Durchsatzes, etc. angeordnet. Die Enden der Ausgangskanäle sind mit einem Verschluß bzw. Stecker 86 verschlossen. Die Porösität der Endflächen der Einheit 87 und 87a ist abgedichtet. Der Aufbau würde derart installiert werden, dass ein Flußweg entlang der Extrusionsachse verlaufen würde, während der zweite Flußweg senkrecht zu dieser Achse verlaufen würde.
In einer Membrantrennungsanwendung würde ein Einlaß-Arbeitsstrom in die die Membran enthaltenden Primärkanäle eintreten, wobei einiges Material auf der Membran zurückgehalten oder auf der Membran reagieren würde. Beim Hindurchtreten des Materials durch die Kanäle ermöglicht die Membran einem Teil des Gemisches durch die Ausgangskanäle für ein Austreten aus dem Aufbau in einer senkrechten Richtung hindurchzutreten. Der Verschluß der Ausgangskanäle an beiden Enden des Aufbaus gewährleistet, dass das Material senkrecht fließt und nicht in die Primärkanäle eintritt und sich mit dem Einlaßstrom vermischt. Der Verschluß der Ausgangskanäle an beiden Enden des Aufbaus kann durch einen Pfropfen bzw. Stecker bewerkstelligt werden. Das verbleibende Material in den Kanälen tritt aus dem Aufbau durch das Auslaßende der Kanäle aus. Beide Auslaßströme bzw. Ausgangsströme können in separaten Sammelbereichen gesammelt werden. In einem Membranfiltrationsbetrieb ist die Menge des Filtrats an dem Einlaßende am größten. Daher tritt mehr Filtrat durch die Primärkanäle (welche mit einer Membran beschichtet sind) an diesem Ende hindurch. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, mehrere Schlitze an diesem Ende als an dem Auslaßende vorzusehen, um den Gegendruck auf die Membran in diesem Bereich bei bestimmten Anwendungen zu minimieren. Daraus resultierend werden weniger Schlitze in Richtung des Auslaßendes des Filters benötigt. Die Pfeile in Fig. 26a zeigen die Stromrichtung eines Ausgangsmaterials in die Vorrichtung, durch diese hindurch und eventuell aus dieser heraus.
Für eine bessere Illustration der vorliegenden Erfindung sollen die folgenden nicht limitierenden Beispiele dienen. Alle Teile, Abschnitte und Prozentangaben beziehen sich, außer es ist etwas anderes angegeben, auf eine Gewichtsbasis.

Beispiel

Ein Monolith mit einem Durchmesser von ungefähr 2,54 cm (ca. 1"), von dem eine Querschnittsansicht in Fig. 27 dargestellt ist, mit zwei Ringen 88a und 88b, mit 27 Durchgängen 89 und mit einem inneren Durchmesser von ungefähr 2,5 mm, mit 18 Durchgängen in dem äußeren Ring 88a und 9 Durchgängen in dem inneren Ring 88b wurde extrudiert und gebrannt. Der Abstand zwischen benachbarten Durchgängen betrug ungefähr 1,1 mm. Der Abstand zwischen den Durchgängen und den benachbarten Durchgangskanälen, wie durch das Bezugszeichen 88 dargestellt ist, betrug ungefähr 0,8 mm bis 0,95 mm. Beispielsweise bezieht sich dieser Abstand auf den Abstand zwischen den Durchgängen in dem inneren Ring und entweder dem mittigen Kanal oder dem benachbarten Durchgangskanal 91. Dies ist auch der Abstand zwischen einem Kanal in dem äußeren Ring und dem Durchgangskanal 91. Die äußere Schicht 90 war ungefähr 1,5 mm dick. Die gebrannten Substrate der verwendeten Zusammensetzung wiesen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von ungefähr 0,4 um und eine Volumenporösität von ungefähr 44% auf. Die abgestumpften kreisförmigen Bogenkanäle 91, der mittige, einen kreisrunden Querschnitt aufweisende Kanal 92 und die vier Scheinlöcher oder Durchgänge 93 wurden an ihren Enden unter Verwendung eines Epoxids verschlossen, und das Monolith wurde an beiden Enden mit einem nicht permeablen Polymer abgedichtet, um eine Mischung des Ausgangsmaterials und des Durchsatzes zu verhindern. Der gebrannte Monolith wurde mit einem CO&sub2;-Gas und einem Druckabfall von ungefähr 7 · 10&sup4; Pa (10 psi) von der Ausgangs- zu der Durchsatzseite hinüber getestet. Die Löcher 94 wurden gebohrt (durch die Scheindurchgänge hindurch), um eine Verbindung zwischen den Filtratkanälen und dem Äußeren zu ermöglichen, und die Probe wurde wiederum getestet. Das Ergebnis des Tests ist in der unten aufgeführten Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1
Der Durchsatz des Monolithes vor der Bohrung betrug ungefähr 1/5 des Wertes nach der Bohrung. Die Ursache dafür liegt bei zwei Faktoren. Erstens war die äußere Wand 60% bis 90% dicker als die inneren Wände und somit betrug der Durchsatz des äußeren Abschnitts der äußeren Durchgangswege weniger als der Durchsatz der inneren Durchgangswege. Dies wäre für weniger als die Hälfte des Effektes verantwortlich. Mehr entscheidend ist, dass vor einer Bohrung der Löcher das Gas zwischen den Durchgangswegen in dem äußeren Ring hindurchtreten mußte, um aus dem Körper auszutreten. Aber dies war restriktiv genug, um den Beitrag des inneren Ringes und in einem geringeren Maß den Beitrag der inneren Fläche des äußeren Ringes zu der gesamten Flussrate virtuell zu eliminieren.
Nachdem die Löcher gebohrt wurden, wurde der gesamte Oberflächenbereich verwendbar und eine dramatische fünffache Erhöhung des Durchsatzes wurde erkennbar. Ein ungebohrter Monolith ist morphologisch ähnlich einem Körper mit drei Reihen von Durchgangswegen zwischen den Filtratkanälen. Dieses Ergebnis rät einem, dass Monolithe mit drei Reihen von Durchgangswegen zwischen den Filtratkanälen weniger wünschenswert sind als Monolithe mit zwei oder einer Reihe von Durchgängen. Dies gilt für Materialien mit kleinen Porendurchmesser verstärkt.

Claims

1. Filter (1) mit einem Aufbau für das Hindurchtreten eines Ausgangsmaterials, wobei der Aufbau aus der Gruppe von stranggepressten Einkörperaufbauten und ineinandergeschachtelten Aufbauten gewählt ist, und der Aufbau einen inneren Abschnitt und einen äußeren Abschnitt (3) und eine Längsachse aufweist, und wobei die Wände zwei Gruppen von offenen Durchgängen bilden, welche sich entlang der Längsachse erstrecken, die erste Gruppe von Durchgängen (2) zum Aufnehmen und Verändern des Ausgangsmaterials und die zweite Gruppe von Durchgängen (4) zum Transportieren des veränderten Ausgangsmaterials aus der Struktur, wobei die Erste Gruppe von Durchgängen unterschiedliche Querschnittslängenverhältnisse im Vergleich zur zweiten Gruppe von Durchgängen aufweist und jeder Durchgang der ersten Gruppe direkt benachbart zu mindestens einem Durchgang der zweiten Gruppe oder dem äußeren (3) des Aufbaus liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe von Durchgängen (4) durch eine Vielzahl von Öffnungen (5) in dem äußeren Abschnitt zusammengeführt sind, welche die zweite Gruppe von Durchgängen (4) kreuzen und die zweite Gruppe von Durchgängen (4) mit der Außenseite verbinden, und dass, wenn der Aufbau ein ineinandergeschachtelter Aufbau ist, mindestens einige der Durchgänge einen Querschnitt in Form abgeschnittener Bögen aufweisen.

2. Filter (1) nach Anspruch 1, wobei der Aufbau ein stranggepresster Einkörperaufbau ist.

3. Filter (1) nach Anspruch 2, wobei die erste Gruppe von Durchgängen (2) aus konzentrischen Ringen besteht und die zweite Gruppe von Durchgängen (4) Bögen sind, welche konzentrisch mit der ersten Gruppe von Durchgängen und so zwischen diesem liegt, dass jeder Durchgang der ersten Gruppe direkt benachbart zu einem Durchgang der zweiten Gruppe oder dem äußeren Abschnitt (3) liegt.

4. Filter (1) nach Anspruch 1, wobei das Querschnittslängenverhältnis der zweiten Gruppe von Durchgängen (4) größer als etwa 3 ist.

5. Filter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Durchgang der ersten Gruppe (2) so gestaltet ist, dass er mit mindestens einer Fläche jeden Durchgangs der zweiten Gruppe (4) zusammenpasst, wobei die passenden Oberflächen benachbart zueinander liegen.

6. Filter (1) nach Anspruch 1, wobei auf den Durchgängen mit einem kleineren Längenverhältnis eine Membran ist.

7. Filter (1) nach Anspruch 1, wobei auf den Durchgängen der ersten Gruppe (2) eine Membran ist.

8. Filter (1) nach Anspruch 7, wobei die Membran eine gaspermeable Membran ist.

9. Filter (1) nach Anspruch 8, wobei der Satz von Durchgängen (4) ohne die Membran einen Oxidationskatalysator aufweist.

10. Filter (1) nach einem vorangehenden Ansprüche, wobei alle Durchgänge einen schlitzähnlichen Querschnitt aufweisen, wobei die zwei Gruppen von Durchgängen Querschnittslängenverhältnisse aufweisen, welche sich voneinander unterscheiden, und die Durchgänge mit dem größeren Querschnittslängenverhältnis näher am Äußeren (3) des Aufbaus als die Durchgänge mit dem schmaleren Querschnittslängenverhältnis sind, wobei die Durchgänge mit dem größeren Querschnittslängenverhältnis durch Ausnehmungen (5) zusammengeführt sind, welche in die Seiten des Aufbaus geschnitten sind und Stecker an beiden Enden aufweisen.

11. Filter (1) nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Filter (1) aus einem Material aus der Gruppe von Keramiken, Glas, Glas-Keramiken, Metallen, Kohlenstoff, Molekularsieben, Polymeren, Ionen-Austauschharzen und Kombinationen davon hergestellt ist.

12. Verfahren zum Verändern eines Ausgangsmaterials, wobei das Verfahren beinhaltet:

a) Hindurchtretenlassen eines Ausgangsmaterials in den Filter nach Anspruch 1 durch die erste Gruppe von Durchgängen des Filters zum Verursachen einer Veränderung des Ausgangsmaterials; und danach

b) Hindurchtretenlassen des aus dem Schritt a) resultierenden Ausgangsstroms in und durch die zweite Gruppe von Durchgängen des Filters zur Außenseite des Filters.