DE69926256T2

DE69926256T2 - Monolitischer, poröser träger für filterelement und filterelement

Info

Publication number: DE69926256T2
Application number: DE69926256T
Authority: DE
Inventors: Kong Jun LIOU; Valerie Thoraval; Jean-Pierre Joulin
Original assignee: Orelis SA
Current assignee: Novasep Process SAS
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: FR2785831A1; DE69926256D1; EP1570898A1; WO2000029098A1; ATE299749T1; AU1276800A; EP1131151A1; FR2785831B1; EP1131151B1

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithischen porösen Träger für ein Filterelement, welcher für die Durchführung eines Filtrations-, Mikrofiltrations-, Ultrafiltrations-, Nanofiltrations- oder eines umgekehrten Osmoseverfahrens auf einem flüssigen Medium verwendet wird, bei welchem das fluide Medium in Form von tangentiellen Strömen in Kontakt mit Filtrationsmembranen zirkuliert.
Bei solchen Filtrationsverfahren stellen die Membranen eine Trennung auf dem flüssigen Medium in Zirkulation mit ihrem Kontakt auf Grund der Tatsache sicher, dass sie bestimmte Moleküle oder Partikel passieren lassen und von anderen Fraktionen des flüssigen Mediums durchquert werden, wenn sie einem Druck unterzogen werden, der auf beiden Seiten der Membranen aufgebaut wird und welcher transmembraner Druck genannt wird. Der Teil des fluiden Mediums, welcher die Membran durchquert, wird Permeat genannt, und der Teil des fluiden Mediums, der von der Membran zurückgehalten wird, wird Retentat genannt. Auf allgemeine Weise ist die Durchgangsgeschwindigkeit des Permeats durch die Membran umso größer, je geringere Dicke die Membran aufweist. Jedoch weist eine Membran mit sehr geringer Dicke eine sehr große Zerbrechlichkeit auf, sodass die Filtermembranen im Allgemeinen in Form von Überzugschichten der Oberfläche eines monolithischen, porösen Trägers hergestellt werden. Der monolithische, poröse Träger stellt die mechanische Widerstandskraft des Filterelements sicher, sodass Membranen mit sehr geringer Dicke verwendet werden können.
Es ist bekannt, Filterelemente zu verwenden, deren monolithische, poröse Träger eine röhrenartige Form aufweisen sowie einen Querschnitt senkrecht dazu, der ungefähr konstant ist entlang der Richtung ihrer Achse. Die Filterelemente können zum Beispiel aus Röhren mit kreisförmigem Querschnitt gebildet sein, deren Oberflächen mit Filtermembranen ausgekleidet sind und die im Innern einer Hülle befestigt sind, um ein Filtermodul mit einer Mehrzahl von röhrenartigen Filterelementen zu bilden.
Um eine große Austauschfläche der Membranen pro Volumeneinheit des Filterelements und einen sehr guten Permeabilitätsfaktor zu erhalten, wurde vorgeschlagen, monolithische Träger mit röhrenartiger Form zu verwenden, welche eine Mehrzahl von Kanälen mit axialer Richtung aufweisen, die voneinander durch Zwischenwände getrennt sind, die aus monolithischem, porösem Material gebildet sind, zum Beispiel einer Keramik, und deren Oberflächen mit Filtermembranen bedeckt sind.
Es wurde zum Beispiel ein monolithischer, poröser Träger für ein Filterelement vorgeschlagen, der in Form eines Zylinders aus Keramik mit kreisförmigen Querschnitten gebildet ist, in welchen geradlinige, zylindrische Kanäle vorgesehen sind, deren kreisförmige Querschnitte über den ganzen Querschnitt des monolithischen, porösen Trägers verteilt sind. Einer der Kanäle ist entlang der Achse des monolithischen Trägers angeordnet, derart, dass sein Querschnitt den mittleren Teil des Querschnitts des Monoliths belegt, und die anderen Kanäle sind entlang mehrerer Reihen angeordnet, in welchen die Achsen der Kanäle auf den zylindrischen Oberflächen, die zu dem monolithischen, zylindrischen Element koaxial sind, angeordnet sind. Die Querschnitte der Kanäle, welche die aufeinanderfolgenden Reihen bilden, sind wiederum auf zu dem Querschnitt des monolithischen Trägers konzentrischen Kreisen zentriert.
In einem solchen Mehrkanal-Filterelement zirkuliert das Permeat, welches die Filtermembran durchquert, im Innern der porösen Wände des monolithischen Trägers, um die Außenfläche des Trägers anzusteuern. Die Zirkulationsbedingungen des Permeats sind somit sehr unterschiedlich, entsprechend der Position in dem Querschnitt des Filterelements, des Kanals, aus welchem das Permeat hervorkommt. Des Weiteren sind die zwischen den kreisförmigen Kanälen vorgesehenen Wände nicht von konstanter Dicke. Auf allgemeine Weise wirken die Kanäle, die in den unterschiedlichen Bereichen des monolithischen Trägers angeordnet sind, nicht auf die gleiche Weise, und es wird festgestellt, dass bestimmte Kanäle bevorzugt Gegenstand einer Verstopfung sind. Des Weiteren sind solche Filterelemente nicht geeignet im Fall von viskosen Fluiden, die Feststoffe enthalten können. Es wurde somit vorgeschlagen, einen monolithischen, porösen Träger für Filtermembranen herzustellen, welcher Kanäle mit im Wesentlichen ähnlichen Querschnitten aufweist, die durch radiale Zwischenwände mit einem gemeinsamen Bereich getrennt werden, die entlang der Achse des monolithischen Trägers angeordnet sind. Die Zwischentrennwände der Kanäle und die Zwischenwand des Trägers, welche die Kanäle nach außen abgrenzt, sind im Wesentlichen von identischer Dicke. Des Weiteren weisen die Querschnitte der Kanäle die allgemeine Form von Polygonen mit abgerundeten Winkeln auf.
Insbesondere wurde ein Träger für ein Filterelement vorgeschlagen, welcher drei Kanäle aufweist, deren Querschnitte die Form von kreisförmigen Ausschnitten mit abgerundeten Winkeln aufweisen, die durch radiale Wände getrennt sind, welche einen geradlinigen Teil aufweisen. Ein solcher Querschnitt wird im Allgemeinen als trilobaler Querschnitt bezeichnet. Allgemeiner kann die Verwendung von Filterelementen mit einer beliebigen Anzahl von Kanälen, zum Beispiel mehr als drei, die durch radiale Wände getrennt sind, vorgesehen werden. Der Querschnitt dieser Filterelemente oder ihrer monolithischen Träger wird als multilobaler Querschnitt bezeichnet. Ein solcher Träger wird in der Schrift DE-C-413422 beschrieben.
Ein derartiger Querschnitt für ein Filterelement ist besonders gut für die tangentielle Filtration von Fluiden, die viskos sind und/oder Feststoffe, wie beispielsweise Fasern, enthalten, geeignet.
Dieser Querschnitt bietet gleichermaßen den Vorteil, nur eine Gruppe identischer Kanäle aufzuweisen, wodurch Verstopfungswirkungen, die in bestimmten Bereichen des Filterelements bevorzugt auftreten, vermieden werden.
Jedoch ermöglicht ein solcher trilobaler oder multilobaler Querschnitt oder jeder andere Querschnitt, welcher eine einzige Gruppe von identischen Kanälen aufweist, die durch radiale Wände getrennt sind, nicht immer, sehr gute Leistungen bezüglich der Ausbeute der Filtration und des Energieverbrauchs bei bestimmten Vorgängen der Filtration, Mikrofiltration, Nanofiltration, Ultrafiltration oder umgekehrter Osmose, zu erreichen.
Tatsächlich hängen die Leistungen eines Filterelements zu einem großen Teil von der filtrierenden Oberfläche des Elements ab, das heißt der Gesamtoberfläche der Filtermembranen, die dem Fluid ausgesetzt ist, oder genauer des Verhältnisses der filtrierenden Fläche zu dem Fließquerschnitt des flüssigen Mediums in dem Filterelement. Um die Leistungen des Filterelements zu steigern und den Energieverbrauch, der für das In-Zirkulation-Versetzen des Fluids und Wiedergewinnen des Permeats erforderlich ist, zu senken, ist es vorteilhaft, Filterelemente zu verwenden, deren Verhältnis R = Sf/Se so groß wie möglich ist, wobei Sf = filtrierende Fläche und Se = Fließquerschnitt oder Fluiddurchfluss ist.
Es wurde gleichermaßen vorgeschlagen, die filtrierende Fläche der Filterelemente zu vergrößern, indem Mehrkanal-Filterelemente mit einem mittleren Kanal entlang der Achse des Filterelements hergestellt werden, welcher einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine oder mehrere Gruppen von Kanälen mit nicht kreisförmigem Querschnitt, deren Achsen auf zu dem Filterelement koaxialen Zylindern angeordnet sind. Diese nicht-kreisförmigen Kanäle weisen im Allgemeinen Querschnitte von trapezförmiger Form oder dreieckiger Form mit abgerundeten Winkeln auf, und diese Querschnitte bilden eine oder mehrere kreisförmige Reihen um den mittleren Kanal herum. Die Querschnitte der Kanäle sind von einer Reihe zur nächsten unterschiedlich und weisen im Allgemeinen einen sich verkleinernden Querschnitt vom Äußeren zum Inneren des Filterelements auf. Solche Mehrkanal-Filterelemente können bezogen auf die Filterelemente mit trilobalem oder multilobalem Querschnitt und bezogen auf Mehrkanal-Filterelemente mit identischen Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt, die entlang den kreisförmigen Reihen des Querschnitts des Filterelements verteilt sind, eine vergrößerte, filtrierende Oberfläche aufweisen.
Jedoch ist der Fließquerschnitt in ähnlichen Proportionen größer, derart, dass das Verhältnis Sf/Se nicht wesentlich verbessert ist.
Daraus resultiert, dass die Leistungen des Filterelements nicht wesentlich verbessert sind bezogen auf Filterelemente mit trilobalem Querschnitt oder jene, welche Kanäle mit kreisförmigem Querschnitt aufweisen.
Die Träger für Mehrkanal-Filterelemente haben einen mittleren Kanal entlang der Achse des Trägers, und Reihen von Kanälen, die um den mittleren Kanal herum verteilt sind, weisen andererseits eine mechanische Widerstandskraft auf, die nicht ausreichend sein kann, wenn die Anzahl und der Querschnitt der Kanäle erhöht wird, um die filtrierende Fläche zu vergrößern.
Ziel der Erfindung ist somit, einen monolithischen, porösen Träger für ein Filterelement zu offenbaren, welcher eine röhrenartige Form und einen Querschnitt aufweist, der ungefähr entlang der Richtung von dessen Achse konstant ist, und welcher eine Mehrzahl von Kanälen aufweist, die voneinander durch Wände des porösen Trägers getrennt sind, deren Oberflächen dafür bestimmt sind, mit Filtermembranen ausgekleidet zu werden, wobei die Kanäle Querschnitte aufweisen, die in dem Querschnitt des Trägers verteilt sind, derart, dass sehr gute Filtrationsleistungen und ein geringer Energieverbrauch bei Verwendung des Filterelements erreicht werden, wobei der monolithische Träger des Weiteren eine gute mechanische Widerstandskraft aufweist.
Zu diesem Ziel weist der monolithische, poröse Träger gemäß der Erfindung eine Mehrzahl von Kanälen auf, die voneinander durch Wände des porösen Trägers getrennt sind, deren Oberflächen dazu bestimmt sind, mit Filtermembranen ausgekleidet zu werden, wobei diese Kanäle Querschnitte aufweisen, die in dem Querschnitt des Trägers verteilt sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser in dem mittleren Teil des Trägers eine erste Gruppe einer Mehrzahl von Kanälen, deren Querschnitte ähnlich sind und die Form von Kreisausschnitten aufweisen, die voneinander durch radiale Wände getrennt sind, die sich entlang der Achse des Trägers erstrecken und die ein Stück Wand gemeinsam haben, das entlang der Achse des Trägers angeordnet ist, wobei die erste Gruppe eine Struktur aufweist, welche multilobale Struktur genannt wird, und eine zweite Gruppe von Kanälen, deren Querschnitt die Form von Kreisausschnitten mit 120° aufweist, welche zu jeweils dreien in der Form von trilobalen Strukturen gruppiert sind, welche um die erste Gruppe von Kanälen herum verteilt sind, aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Gruppe von Kanälen drei Kanäle sowie eine trilobale Struktur auf.
Gleichermaßen in einer bevorzugten Anordnung weisen die Kanäle der ersten und der zweiten Gruppe ähnliche oder identische Querschnitte auf.
Die Erfindung bezieht sich gleichermaßen auf ein Filterelement mit einem monolithischen, porösen Träger, dessen Wände der Kanäle mit Filterschichten oder Filtermembranen ausgekleidet sind, wobei der monolithische, poröse Träger gemäß der Erfindung hergestellt ist.
Um die Erfindung besser verständlich zu machen, werden nachfolgend zu nicht begrenzenden Beispielzwecken mehrere Ausführungsformen eines monolithischen, porösen Trägers gemäß der Erfindung und die charakteristischen Merkmale dieser monolithischen Träger gemäß der Erfindung im Vergleich zu charakteristischen Eigenschaften von monolithischen Trägern gemäß dem Stand der Technik beschrieben.
1 ist eine Querschnittansicht eines monolithischen Trägers, welcher nicht Teil der Erfindung ist.
2 ist Querschnittansicht eines monolithischen, porösen Trägers gemäß der Erfindung und gemäß einer zweiten Ausführungsform.
3 ist ein Querschnittansicht eines monolithischen, porösen Trägers gemäß einer ersten Variante der zweiten Ausführungsform.
4 ist eine Querschnittansicht eines monolithischen, porösen Trägers gemäß einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform.
In 1 ist ein monolithischer, poröser Träger für ein Filterelement zu sehen, welcher auf allgemeine Weise durch Bezugsziffer 1 gekennzeichnet ist.
Der Träger für das Filterelement weist eine zylindrische, röhrenartige Form und eine mittlere geradlinige Symmetrieachse 2 auf.
Der Querschnitt des Trägers 1 ist konstant in Richtung der Achse 2, alle Querschnitte des Trägers haben, unabhängig von ihrer Position entlang Achse 2, die in 1 dargestellte Form.
Der Träger 1 ist entlang seiner gesamten Länge in der axialen Richtung 2 von Kanälen durchquert, die auf allgemeine Weise durch die Bezugsziffer 3 gekennzeichnet sind.
Die Kanäle sind voneinander durch Wände getrennt, die auf allgemeine Weise durch die Bezugsziffer 4 gekennzeichnet werden, und die in ihrer Gruppe den Körper aus porösem Material des monolithischen Trägers bilden.
Der monolithische Träger, der vorzugsweise aus keramischem Material hergestellt ist, kann durch ein herkömmliches Extrudierverfahren eines keramischen Materials durch ein Extrusionswerkzeug mit angepasster Form erhalten werden, womit die Formgebung des Netzes der Wände 4 zur Trennung der Kanäle 3 durchgeführt wird.
Nach Brennen des keramischen Materials wird die Innenfläche der Kanäle 3 mit einer dünnen Schicht einer Substanz bedeckt, die es ermöglicht, durch Sintern eine Filterschicht oder Filtermembran 3' auf der Oberfläche der Kanäle 3 zu erhalten.
Für die Durchführung eines Filtrationsvorgangs in einem Filterelement, das aus dem monolithischen Träger gebildet ist, dessen Oberflächen der Kanäle 3 mit Filtermembranen bedeckt wurden, wird das zu filternde flüssige Medium in axialer Richtung im Innern der Kanäle 3 zum Zirkulieren gebracht. Es wird ein Druckunterschied zwischen dem inneren Teil des Filterelements, das durch die Gruppe der Kanäle gebildet ist, und dem zu dem Filterelement externen Medium aufgebaut. Eine Fraktion des zu filternden flüssigen Mediums durchquert die Filtermembranen der Kanäle, um das poröse Material der Wände 4 zu durchtränken. Diese Fraktion des zu filternden Mediums oder Permeats zirkuliert im Inneren der Wände in Richtung der porösen Außenfläche des monolithischen Trägers 1 des Filterelements.
Der monolithische Träger 1 weist eine erste Gruppe von Kanälen 3a auf, die an dem mittleren Teil des Trägers um die Achse 2 herum angeordnet ist. Diese erste Gruppe von Kanälen weist drei Kanäle 3a auf, welche die Form von Kreisausschnitten mit abgerundeten Winkeln aufweisen, die voneinander durch die Wände 4a von radialer Richtung getrennt werden, die einen mittleren Bereich entlang der Achse 2 des monolithischen Trägers gemeinsam haben.
Die Symmetrieebenen der Wände 4a, welche die Achse 2 gemeinsam haben, schließen untereinander Flächenwinkel von 120° ein. Die Spur dieser Ebenen wurde in 1 gestrichelt dargestellt.
Die Kanäle 3a sind zum Äußeren des monolithischen Trägers durch eine röhrenartige Wand mit kreisförmigem Querschnitt 5a begrenzt, welche mit den äußeren Endteilen der Wände 4a gemeinsame Teile hat.
Die erste Gruppe von Kanälen 3a bildet einen trilobalen Querschnitt analog zum Querschnitt des Trägers für Filterelemente gemäß dem Stand der Technik.
Der monolithische Träger 1 weist eine zweite Gruppe von Kanälen 3b auf, die auf der Peripherie der Gruppe von Kanälen 3a angeordnet ist, und Querschnitte in Form von trapezförmigen Ringausschnitten mit abgerundeten Winkeln, die alle identisch sind, aufweisen. Die Querschnitte der Kanäle 3b bilden eine kreisförmige Krone, welche die Gruppe der Querschnitte der Kanäle 3a umgibt.
In jedem der Zylinderausschnitte, die durch die Verlängerung der radialen Wände 4a zu 120° abgegrenzt sind, sind vier Kanäle 3b angeordnet, derart, dass der Träger 1 zwölf Kanäle 3b in Anordnungen um die Achse 2 herum aufweist, die sich auseinander um eine Rotation von 30° um die Achse 2 des Trägers herleiten.
Die Kanäle 3b sind voneinander durch radiale Wände 4b getrennt und sind nach außen durch eine röhrenartige kreisförmige Wand 5b abgegrenzt. Drei Wände 4b bilden die Verlängerung der radialen Wände 4a.
Der monolithische Träger 1 weist eine dritte Gruppe von Kanälen 3c auf, deren Querschnitte die allgemeine Form von trapezförmigen Ringausschnitten mit abgerundeten Winkeln aufweisen.
Die Querschnitte der Kanäle 3c sind entlang einer kreisförmigen Reihe an der Peripherie der Querschnitte der Kanäle 3b angeordnet und in einer strahlenförmigen Anordnung mit den Kanälen 3b.
In jedem der durch die Verlängerung der zwei radialen Wände 4a zu 120° abgegrenzten Zylinderausschnitte sind vier Kanäle 3c angeordnet, derart, dass der monolithische Träger 1 zwölf Kanäle 3c aufweist.
Die Gruppe des Monoliths 1 weist somit siebenundzwanzig Kanäle 3 auf, deren Oberfläche von Filtermembranen 3' bedeckt sein kann.
Die Kanäle 3c sind voneinander durch radiale Wände 4c getrennt und nach außen durch eine röhrenartige Wand mit Kreisausschnitt 5c abgegrenzt, welche die Außenwand des monolithischen Trägers 1 bildet.
Die dimensionalen Eigenschaften des monolithischen Trägers 1, der Kanäle 3 und der Wände 4 sind durch die Dimensionsparameter gegeben, die unten definiert werden und die in 1 dargestellt sind.

R: = äußerer Radius des monolithischen Trägers,
h: = maximale Dimension in radialer Richtung der Querschnitte der Kanäle 3a,
g: = Dimension in radialer Richtung der Querschnitte der Kanäle 3b,
d: = Dimension in radialer Richtung der Querschnitte der Kanäle 3c,
e1: = Dicke der Wand 5c,
e2: = Dicke der Wand 5b,
e3: = Dicke der Wand 5a,
f: = Dicke der radialen Wände 4a, 4b und 4c.

Im Allgemeinen haben die radialen Wände alle eine gleiche Dicke, aber die röhrenartigen koaxialen Wände 5a, 5b und 5c können unterschiedliche Dicken aufweisen.
Der in 1 dargestellte und nicht Teil der Erfindung bildende monolithische Träger wird als Träger mit KBZ-Profil bezeichnet oder einfach mit dem Bezug KBZ.
Ein solcher Träger mit KBZ-Profil kann die folgenden Dimensionseigenschaften aufweisen:
R = 12,50 mm;
h = 2,69 mm;
g = 3,94 mm;
d = 2,16 mm;
e1 = 1,35 mm;
e2 = 0,92 mm;
e3 = 0,92 mm;
f = 0,92 mm.
Es wurde die Berechnung der filtrierenden Oberfläche pro Längeneinheit eines Filterelements durchgeführt, welches den monolithischen Träger 1 aufweist, der in 1 dargestellt ist und die oben angegebenen Dimensionseigenschaften aufweist.
Die filtrierende Fläche wird durch die Gesamtfläche der Wände der Kanäle pro Längeneinheit des monolithischen Trägers 1 in axialer Richtung 2 gebildet.
Diese filtrierende Fläche SF, zurückgeführt auf die Länge L des Monoliths, beträgt 338,92 mm²/mm.
Gleichermaßen wurde die Fläche des Fließquerschnitts eines Fluids in dem Filterelement, welches den monolithischen Träger 1 aufweist, berechnet. Dieser Querschnitt ist durch die Summe der Querschnitte der Kanäle gebildet.
Der Fließquerschnitt Se beträgt 244,42 mm².
Das Verhältnis SF/L.Se ist somit 1,39 mm^–1.
Nachfolgend wird ersichtlich, indem die Parameter SF, Se und SF/L.Se eines Trägers der Art KBZ mit entsprechenden Parametern von Trägern gemäß dem Stand der Technik verglichen werden, dass der Träger der Art KBZ, der in 1 dargestellt ist, eine wesentliche Verbesserung dieser Parameter zu erhalten ermöglicht.
Des Weiteren weist das Netz von Wänden, die den Körper des Monoliths bilden, der soeben beschrieben wurde, eine gute mechanische Widerstandskraft auf insbesondere auf Grund der Anwesenheit der miteinander fest verbundenen radialen Wände in einem gemeinsamen Bereich, der entlang der Achse des monolithischen Trägers angeordnet ist und eine verstärkende Rolle hat.
Ein Nachteil des monolithischen Trägers der Art KBZ, der in 1 dargestellt ist, ist jedoch, dass die Kanäle der drei Gruppen unterschiedliche Formen aufweisen. Die tangentiellen Fließbedingungen des flüssigen Mediums in diesen unterschiedlichen Kanälen sind folglich ebenfalls unterschiedlich.
In 2 ist ein poröser, monolithischer Träger eines Filterelements dargestellt, auf allgemeine Weise durch die Bezugsziffer 6 gekennzeichnet, welcher Kanäle 8 aufweist, deren Querschnitte alle ähnlich und in Form von Kreisausschnitten mit abgerundeten Winkeln sind. Die Kanäle 8 haben zu den Kanälen 3a der ersten Gruppe von Kanälen des monolithischen Trägers der in 1 dargestellten Art KBZ analoge Formen.
Die Kanäle 8 sind gleichermaßen zu jeweils dreien gruppiert, derart, dass sie trilobale Querschnitte bilden, in denen jeder der Kanäle 8 einen Querschnitt aufweist mit der Form eines Kreisausschnitts mit 120°.
Der in 2 dargestellte monolithische Träger 6 weist die allgemeine Form eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt und einer geradlinigen Achse 7 auf. Der Träger 6 wird entlang seiner gesamten Länge von den Kanälen 8 mit axialer Richtung durchquert, derart, dass der monolithische Träger eine röhrenartige Struktur aufweist.
Der Träger 6 weist eine erste Gruppe von Kanälen auf, welche drei Kanäle 8a aufweisen, die eine trilobale Struktur bilden, die symmetrisch um die Achse 7 herum angeordnet sind.
Der Träger 6 weist des Weiteren in peripherer Anordnung um die Kanäle 8a eine Gruppe von Kanälen 8b auf, deren Querschnitte zu den Querschnitten der Kanäle 8a ähnliche Formen aufweisen.
Die Kanäle 8b sind zu dreien gruppiert, derart, dass ihre Querschnitte trilobale Strukturen bilden, die in regelmäßigem Abstand auf einem auf der Achse 7 zentrierten Kreis verteilt sind. Die Gruppe von Kanälen 8b weist sechs Gruppen von drei Kanälen auf, deren Querschnitte eine trilobale Struktur bilden, folglich achtzehn identische Kanäle.
In 3 ist ein monolithischer Träger 6' dargestellt, welcher in seinem mittleren Teil um seine Achse 7' eine erste Gruppe von Kanälen 8'a aufweist, die zu der Gruppe von zentralen Kanälen 8a des monolithischen Trägers 6, der in 2 dargestellt ist, identisch ist, sowie eine zweite Gruppe von Kanälen 8'b, die zu der zweiten Gruppe von Kanälen 8b des monolithischen Trägers 6 identisch ist.
Der monolithische Träger 6' weist des Weiteren eine dritte Gruppe von Kanälen 8'c auf, die auf der Peripherie der Gruppe von Kanälen 8'b angeordnet ist und auf einem auf der Achse 7' des Trägers 6' zentrierten Kreis ausgerichtet sind.
Die Kanäle 8'c haben einen Querschnitt, der zu dem Querschnitt der Kanäle 8'a und 8'b identisch ist, wobei diese Querschnitte in radialer Richtung ausgerichtet sind und jeweils auf symmetrische Weise angeordnet sind bezogen auf eine Symmetrieebene einer radialen Wand, die zwei Kanäle 8'a der ersten Gruppe trennt. Die Kanäle der zweiten Gruppe von Kanälen 8'b bilden trilobale Strukturen, die zu zweien angeordnet sind auf symmetrische Weise bezogen auf die Symmetrieebenen der radialen Wände der Kanäle der ersten Gruppe.
Die dritte Gruppe von Kanälen 8'c weist sechs Kanäle auf, die mit 60° zueinander um die Achse 7' angeordnet sind.
Der monolithische Träger 6' weist somit siebenundzwanzig Kanäle auf, deren Querschnitte identisch sind und die Form von Kreisausschnitten mit abgerundeten Winkeln aufweisen, abgegrenzt durch zwei geradlinige Segmente, welche einen Winkel von 120° bilden.
In 4 ist ein monolithischer Träger 6'' dargestellt, der im Wesentlichen analog zu dem in 3 dargestellten Träger 6' ist und welcher drei Gruppen von Kanälen 8''a, 8''b und 8''c aufweist, mit im Wesentlichen identischen Formen zu den Kanälen des Trägers 6', der in 3 dargestellt ist. Des Weiteren haben die Querschnitte der Kanäle der Gruppen 8''b und 8''c zu der Anordnung der Gruppen von Kanälen 8'b und 8'c des monolithischen Trägers 6', der in 3 dargestellt ist, identische Anordnungen.
Der einzige Unterschied zwischen der Anordnung von Kanälen des monolithischen Trägers 6' und des monolithischen Trägers 6'' ist bezogen auf eine erste Gruppe von Kanälen 8''a, die bezogen auf die Anordnung der Gruppe von mittleren Kanälen 8'a des monolithischen Trägers 6' um einen Winkel von 30° gedreht ist.
Auf Grund dieser Tatsache sind die Querschnitte der dritten Gruppe von Kanälen 8''c zu zweien auf symmetrische Weise platziert bezogen auf die Symmetrieebenen der radialen Wände, welche die Kanäle 8''a trennen, und die trilobalen Strukturen der zweiten Gruppe sind symmetrisch bezogen auf die Symmetrieebenen der Wände der ersten Gruppe von Kanälen.
Die monolithischen Träger, deren Querschnitte in den 3 und 4 dargestellt sind, weisen sehr ähnliche charakteristische Merkmale und Leistungen auf, in dem Maße, dass einzig der mittlere Teil, welcher die Kanäle 8'a oder 8''a aufweist, in dem Fall der beiden Ausführungsvarianten unterschiedlich ist. Dieser mittlere Teil, welcher die Kanäle 8'a oder 8''a aufweist, stellt nur ungefähr 10% der gesamten filtrierenden Fläche des ausgehend von dem monolithischen Träger realisierten Filterelements dar.
Die monolithischen Träger, deren Querschnitte in den 3 und 4 dargestellt sind, werden nachfolgend durch den Bezug des KBT-Profils bezeichnet.
Die monolithischen Träger, welche einen Querschnitt mit KBT-Profil aufweisen, sind durch die dimensionalen Parameter definiert, die unten angegeben werden und die in den 3 und 4 dargestellt sind.
Diese dimensionalen Parameter sind die folgenden:

R: = äußerer Radius des monolithischen Trägers,
r: = Radius des Bereichs, der von drei Querschnitten von Kanälen belegt ist, welche eine trilobale Struktur bilden,
e1: = Abstand zwischen dem auf der Achse des Trägers zentrierten Kreis, tangential zu den trilobalen Strukturen der Kanäle 8'b oder 8''b und der Außenfläche des Trägers,
e2: = radialer Abstand zwischen den trilobalen Strukturen der ersten Gruppe von mittleren Kanälen 8'a oder 8''a und den trilobalen Strukturen der zweiten Gruppe von Kanälen 8'b oder 8''b,
f1: = minimale Dicke der Wand zwischen den trilobalen Strukturen der zweiten Gruppen von Kanälen 8'b und 8''b,
f2: = Dicke der radialen Wände zwischen den Kanälen der trilobalen Strukturen,
h: = maximale radiale Dimension eines Querschnitts eines Kanals.

Es wurde ein monolithischer Träger für Filterelemente mit einem Profil der Art KBT hergestellt, dessen dimensionale Parameter die folgenden sind:
R = 12,50 mm;
r = 3,02 mm;
e1 = 2,51 mm;
e2 = 0,92 mm;
f1 = 0,92 mm;
f2 = 0,92 mm;
h = 2,49 mm.
Die filtrierende Fläche des Filterelements wurde berechnet, welche ausgehend von dem monolithischen Träger realisiert werden kann. Diese Fläche SF, die auf die Länge L des Monoliths zurückgeht, beträgt 280,70 mm²/mm.
Gleichermaßen wurde die Fläche des Fließquerschnitts des monolithischen Trägers berechnet. Dieser Querschnitt beträgt 188,56 mm².
Das Verhältnis SF/L.Se wurde berechnet. Dieses Verhältnis ist 1,49 mm^–1.
In der unten stehenden Tabelle sind die filtrierende Fläche und der Fließquerschnitt der Filterelemente dargestellt, die aus den monolithischen Trägern mit Profilen KBZ und KBT gemäß der Erfindung realisiert sind, und, zu Vergleichszwecken, die filtrierende Fläche und der Fließquerschnitt von vier Vergleichs-Filterelementen, die aus monolithischen Trägern gemäß dem Stand der Technik realisiert sind. Mit den Bezügen KBW und KBX werden Filtermodule bezeichnet, die monolithische Träger aufweisen, deren Kanäle alle kreisförmige Querschnitte aufweisen.
Der Bezug KBX entspricht einem monolithischen Träger mit sieben Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt, von denen ein Kanal mittig und sechs Kanäle peripher sind.
Der Bezug KBW betrifft einen monolithischen Träger, welcher neunzehn Kanäle mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, von denen ein Kanal mittig ist, sechs Zwischenkanäle auf konzentrische Weise um den mittleren Kanal herum angeordnet sind, und zwölf periphere Kanäle auf konzentrische Weise um die Zwischenkanäle herum angeordnet sind.
Der Bezug T8c betrifft den monolithischen Träger für ein Filterelement, welcher einen mittleren Kanal mit kreisförmigem Querschnitt und sieben periphere Kanäle mit dreieckigem Querschnitt mit abgerundeten Winkeln aufweist.
Der Bezug T23c betrifft einen monolithischen Träger für ein Filterelement, welcher einen mittleren Kanal mit kreisförmigem Querschnitt aufweist, sechs Zwischenkanäle mit trapezförmigem Querschnitt mit abgerundeten Winkeln, die auf konzentrische Weise um den mittleren Kanal herum angeordnet sind, und sechszehn trapezförmige periphere Kanäle, die auf konzentrische Weise um die Zwischenkanäle herum angeordnet sind.
In allen diesen Fällen weisen die Träger den gleichen äußeren Radius von 12,50 mm und die gleiche Länge L auf.
TABELLE
Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass die Filterelemente, deren Monolithen die geringste Anzahl von Kanälen aufweisen (KBX und T8c), die geringste filtrierende Fläche und das schlechteste Verhältnis SF/L.Se aufweisen.
Das KBZ-Profil mit siebenundzwanzig Kanälen ermöglicht es, die größte filtrierende Oberfläche zu erhalten, obwohl der entsprechende Fließquerschnitt kleiner ist als die Fließfläche des Profils Tbc und sehr wenig größer ist als die Fließfläche der Membran T23c.
Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis SF/L.Se des KBZ-Profils beträchtlich höher ist als das Verhältnis SF/L.Se des Profils Tbc und wesentlich höher ist als das Verhältnis SF/L.Se des Profils T23c.
Dies ist ebenso, wenn die charakteristischen Merkmale des KBZ-Profils mit den entsprechenden charakteristischen Merkmalen der Profile KBX und KBW mit Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt verglichen werden.
Das KBT-Profil ermöglicht es, eine filtrierende Fläche zu erhalten, die sehr geringfügig kleiner ist, und einen Fließquerschnitt, der wesentlich kleiner ist als jener, der im Fall des Profils T23c erhalten wird. Daraus resultiert, dass das Verhältnis SF/L.Se im Fall des KBT-Profils wesentlich höher ist als im Fall des Profils T23c.
Die Profile KBZ und KBT weisen somit charakteristische Merkmale auf, welche die Herstellung von Filterelementen ermöglichen, die verbesserte Filtrationsleistungen aufweisen und einen reduzierten Energieverbrauch sicherstellen.
Indem die zwei Profile KBZ und KBT verglichen werden, wird festgestellt, dass es das KBZ-Profil ermöglicht, eine bedeutendere filtrierende Fläche zu erhalten als das KBT-Profil gemäß der Erfindung, wobei das Verhältnis SF/L.Se jedoch größer ist im Fall des KBT-Profils gemäß der Erfindung.
Das KBT-Profil weist somit einen gewissen Vorteil auf, umso mehr auf Grund der Tatsache, dass dessen Kanäle alle identische Querschnitte haben.
Ein Vorteil des KBZ-Profils, verglichen mit einem Profil wie dem KBW-Profil mit Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt, ist es, dass die Fläche der Kanäle nach außen gerichtet entwickelt wird, was die Filterleistung der Vorrichtung erhöht. Der Filterdurchsatz steigt.
Des Weiteren steigt, wie weiter oben angegeben, das Verhältnis R = SF/L.Se, was sich durch eine Steigerung des Verhältnisses Filterleistung/Energieverbrauch äußert.
Gleichermaßen ermöglicht es das KBT-Profil, wie in den 3 und 4 dargestellt, eine Entwicklung der Fläche der nach außen gerichteten Kanäle zu erhalten, und somit eine Steigerung des Filterdurchsatzes.
Bezogen auf ein Profil gemäß dem Stand der Technik, wie dem KBW-Profil mit Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt, ermöglicht es das KBT-Profil, eine filtrierende Fläche SF zu erhalten, die für einen vergleichbaren Fließquerschnitt Se erhöht ist, oder auch einen Fließquerschnitt Se, der für eine vergleichbare filtrierende Fläche SF geringer ist, was es ermöglicht, geringere Energiekosten zu erhalten, wenn ein Profil der Art KBT verwendet wird.
Verglichen mit einem Profil mit kreisförmigen Kanälen, welches eine geringe Anzahl von Kanälen aufweist, wie dem KBX-Profil, ermöglicht es ein KBT-Profil gemäß der Erfindung, eine Fließfläche zu erhalten, die größer ist, und gleichermaßen eine wesentlich bedeutendere filtrierende Fläche. Der Filterdurchsatz ist gleichermaßen erhöht auf Grund der Tatsache, dass die filtrierende Fläche und die entwickelte äußere Fläche bedeutender sind.
Des Weiteren besitzt, wenn ein Profil der Art KBT mit einem trilobalen mittleren Teil und peripheren Kanälen in trilobaler Anordnung mit einem Träger verglichen wird, welcher keine trilobale Struktur bezogen auf jeden Querschnitt des Trägers aufweist, der Träger gemäß der Erfindung eine wesentlich bedeutendere filtrierende Fläche für eine vergleichbare Fließfläche.
Das KBT-Profil ermöglicht es, einen monolithischen Träger zu erhalten mit einer Kompaktheit, die wesentlich höher ist als jene eines Trägers, welcher eine einfache trilobale Struktur aufweist. Daraus resultiert eine bessere mechanische Widerstandskraft des Trägers gemäß der Erfindung.
Schließlich ermöglicht es das Profil gemäß der Erfindung, wie das KBT-Profil, eine bessere Drainage durch das flüssige Medium zu erhalten als im Fall von Trägern gemäß dem Stand der Technik. Während der Verwendung des Filterelements werden weniger Stagnationsbereiche beobachtet und somit ein reduziertes Verstopfen.
Der monolithische, poröse Träger gemäß der Erfindung weist somit zahlreiche Vorteile für die Herstellung von Filterelementen auf, um die tangentielle Filtration eines flüssigen Mediums zu bewirken.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen, die beschrieben wurden, begrenzt.
Folglich kann die erste Gruppe von Kanälen eine Anzahl von Kanälen aufweisen, die größer als drei ist und die eine multilobale Struktur bilden, oder, im Gegensatz dazu, nur zwei Kanäle. In allen diesen Fällen sind die Kanäle der ersten Gruppe voneinander durch radiale Wände getrennt, welche einen gemeinsamen Bereich haben, der sich entlang der Achse des monolithischen Trägers erstreckt.
Der monolithische Träger kann eine einzelne periphere Gruppe von Kanälen aufweisen oder vorzugsweise mehrere periphere Gruppen von Kanälen, deren Querschnitte identische Formen oder von einer Gruppe zur anderen unterschiedliche Formen haben können.
Obwohl die Verwendung von Kanälen in dem Querschnitt der Form eines Kreisausschnitts mit 120°, angeordnet in einer trilobalen Anordnung, zahlreiche Vorteile aufweist, ist es möglich, periphere Gruppen von Kanälen zu verwenden, die unterschiedliche Formen und Anordnungen aufweisen. Es ist gleichermaßen möglich, monolithische Träger vorzusehen, deren Kanäle in Form von multilobalen Strukturen zu n Kanälen gruppiert sind, welche somit die Form von Kreisausschnitten haben, die durch die Wände begrenzt sind, welche zueinander einen Winkel von 2π/n Radian bilden.
In allen diesen Fällen wird eine strahlenförmige Anordnung der Kanäle vorgesehen, sodass die Kanäle eine bedeutende Oberfläche, die nach der Außenfläche des monolithischen Trägers für das Filterelement gerichtet ist, aufweisen.
Die Erfindung ist auf jedes Filterverfahren mit tangentieller Zirkulation eines flüssigen Mediums anwendbar, und insbesondere auf Mikrofiltration, Nanofiltration, Ultrafiltration und umgekehrte Osmose eines flüssigen Mediums.

Claims

Monolithischer, poröser Träger für ein Filterelement, welcher eine röhrenartige Form und einen Querschnitt aufweist, der ungefähr konstant ist entlang der Richtung von dessen Achse (7, 7', 7''), und welcher eine Mehrzahl von Kanälen (3, 8) umfasst, welche voneinander durch Wände (4) des porösen Trägers (6, 6', 6'') getrennt sind, deren Oberflächen dafür bestimmt sind, mit Filtermembranen ausgekleidet zu werden, wobei die Kanäle Querschnitte aufweisen, die in dem Querschnitt des Trägers (6, 6', 6'') verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in dem mittleren Teil des Trägers (6, 6', 6'') eine erste Gruppe einer Mehrzahl von Kanälen (8a, 8'a, 8''a), deren Querschnitte ähnlich sind und die Form von Kreisausschnitten aufweisen, die voneinander durch radiale Wände (4a) getrennt sind, die sich entlang der Achse (7, 7', 7'') des Trägers (6, 6', 6'' erstrecken, und die ein Stück Wand gemeinsam haben, das entlang der Achse (7, 7', 7''), des Trägers (6, 6', 6'') angeordnet ist, wobei die erste Gruppe eine Struktur aufweist, welche multilobale Struktur genannt wird, und eine zweite Gruppe von Kanälen (8b, 8'b, 8''b), deren Querschnitt die Form von Kreisausschnitten mit 120° aufweist, welche zu jeweils dreien in der Form von trilobalen Strukturen gruppiert sind, welche um die erste Gruppe von Kanälen (8a, 8'a, 8''a) herum verteilt sind, umfasst.
Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe von Kanälen (8b, 8'b, 8''b) achtzehn Kanäle umfasst, deren Querschnitte zu jeweils dreien in der Form von sechs trilobalen Strukturen gruppiert sind, die um die Querschnitte der Kanäle (8a) der ersten Gruppe herum verteilt sind.
Träger nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine dritte Gruppe von Kanälen (8'c, 8''c) umfasst, deren Querschnitte die Form von Kreisausschnitten mit 120° aufweisen, welche um die zweite Gruppe von Kanälen (8'b, 8''b) herum verteilt sind.
Träger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kanäle (8'b) der zweiten Gruppe trilobale Strukturen bilden, welche zu jeweils zweien in symmetrischer Weise bezogen auf die Symmetrieebenen der radialen Wände der ersten Gruppe von Kanälen (8'a) angeordnet sind, und dass die Querschnitte der Kanäle (8'c) der dritten Gruppe von Kanälen gemeinsam in der radialen Richtung, entlang der Symmetrieebenen der radialen Wände, welche die Kanäle (8'a) der ersten Gruppe von Kanälen trennen, ausgerichtet sind und bezogen auf diese Symmetrieebenen symmetrisch sind.
Träger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kanäle (8''b) der zweiten Gruppe trilobale Strukturen bilden, die symmetrisch sind bezogen auf die Symmetrieebenen der Wände der ersten Gruppe von Kanälen, und dass die Querschnitte der Kanäle (8''c) der dritten Gruppe von Kanälen zu jeweils zweien in symmetrischer Weise bezogen auf die Symmetrieebenen der radialen Trennwände der Kanäle (8''a) der ersten Gruppe von Kanälen angeordnet sind.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Kanälen drei Kanäle (8a, 8'a, 8''a) umfasst, welche ungefähr die Form von Kreisausschnitten mit 120° aufweisen, welche voneinander durch drei radiale Wände (4a) getrennt sind, die mit 120° bezogen von der einen auf die andere angeordnet sind, welche eine gemeinsame Zone entlang der Achse (7, 7', 7'') des Trägers (6, 6', 6'') aufweisen, wobei die erste Gruppe eine Struktur aufweist, die trilobale Struktur genannt wird.
Filterelement, umfassend einen monolithischen, porösen Träger, welcher eine röhrenartige Form und einen Querschnitt aufweist, der ungefähr konstant ist entlang der Richtung von dessen Achse (7, 7', 7''), und welcher eine Mehrzahl von Kanälen (8) umfasst, welche voneinander durch Wände (4) des porösen Trägers (6, 6', 6', 6'') getrennt sind, deren Oberflächen von Filtermembranen ausgekleidet werden, wobei die Kanäle Querschnitte aufweisen, die in dem Querschnitt des Trägers (6, 6', 6'') verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische, poröse Träger (6, 6', 6'') entsprechend irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 verwirklicht ist.