DE9209684U1 - Präzisions-Druckrohr - Google Patents

Description

"Präzisionsdruckrohr"

SP/08.05.92

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen Druckbehälter zur Aufnahme von Membranfilterelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, speziell in der Anwendung zur Trennung von Flüssigkeiten.

Solche Druckbehälter, kurz Druckrohre genannt, sind allgemein bekannt und in einer Vielzahl von Varianten handelsüblich. Üblicherweise werden zylinderförmige Membranfilterelemente mit je einer Abdichtung zur innenwand des umgebenden Zylinders an beiden Enden eingesetzt. Daher ist den Druckrohren bekanntermaßen gemeinsam, daß der zylindrische Teil aus einfachem, ggf. genormtem Kunststoff- oder Metallrohr ohne besondere Anforderungen an die Maßtoleranzen, insbesondere des Innendurchmessers, besteht. Nachteilig ist hierbei die Existenz eines ungenutzten Spaltraumes, der, bei Einsatz entsprechender Medien, zudem eine Zone für Verunreinigungen darstellen kann. Bei Einsatz von Membranfiltertypen ohne separate Dichtelemente kann dann entweder ein Spalt zur Zylinderinnenwand entstehen, durch den einströmende Flüssigkeit (Feed) unbeeinflußt hindurchgedrückt werden kann, oder es besteht die Gefahr einer Beschädigung des Membranfilterelementes beim Einbau oder im Betrieb.

Bei den bekannten Druckrohren wird der radial zur Zylinderachse hinwandernde Flüssigkeitsanteil (Permeat) über einen Rohranschluß an einer oder beiden Stirnseiten konzentrisch abgeführt. Es sind Varianten bekannt, bei denen Feed wie auch der axial strömende Flüssigkeitsanteil (Konzentrat) jeweils stirnseitig über einen Rohranschluß neben dem Permeatrohr gefördert wird. Dies birgt den Nachteil, daß die Strömungsquerschnitte für Feed und Konzentrat auf ein bestimmtes Maß begrenzt sind. Bei anderen Varianten werden Feed bzw. Konzentrat über radiale Rohranschlüsse im Bereich der Zylinderenden zu- bzw. abgeführt. Dies wiederum hat jedoch den Nachteil, daß ein entsprechend großes, ungenutztes Behältervolumen flüssigkeitsgefüllt ist. Zudem

entstehen bei allen genannten Varianten zwangsläufig Zonen nicht bewegter Flüssigkeit, so daß sich für unterschiedliche Teilvolumina der Flüssigkeit ggf. nachteiligerweise unterschiedliche Verweilzeiten im Druckrohr ergeben können.

Es sind Lösungen bekannt, bei denen die Zwischenstücke zur Ankuppelung eines Membranfilterelementes oder auch die stirnseitigen Zylinderabschlüsse aus Kunststoff bestehen. Durch die begrenzte Festigkeit von Kunststoffen, insbesondere bei erhöhten Prozeßtemperaturen, ist eine Fixierung von Membranfilterelementen in definierter Position nicht immer möglich. Außerdem können durch Verzug der Konstruktion Beschädigungen an Membranfilterelementen gewisser Bauart entstehen oder auch Undichtigkeiten auftreten. Ähnliche Nachteile sind bekannten Bauformen zuzuschreiben, bei denen die Befestigung oder Abstützung der Zylinderabschlüsse im Zylinder durch einfache Sicherungsringe, -stifte oder ähnliches realisiert wird. Hinzu kommt dort, daß eine sichere und gleichzeitig leichte Montage nicht immer möglich ist.

Druckrohre können auch in Anlagen mit hohen Anforderungen an Sterilität oder Produktreinheit zum Einsatz kommen. Daraus ergeben sich Forderungen nach Spaltfreiheit und freier Umspülbarkeit produktberührter Flächen, insbesondere auch im Bereich von Dichtungen. Die bekannten Druckrohrvarianten weisen entsprechende Auslegungsmerkmale nicht aus. Auch Lösungen mit Komponenten aus Kunststoff können aus oben bereits genannten Aspekten wie auch wegen möglicher Produktunverträglichkeit oder Veränderungen an der Oberfläche nicht in allen Fällen eingesetzt .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Druckrohr der eingangs genannten Art anzugeben, das einen spaltfreien Sitz von Membranfilterelementen innerhalb eines breiten Einsat zbereiches, totzonen- und restvolumenarmen Betrieb unter aseptischen Bedingungen sowie eine Erhöhung der stirnseitigen Strömungsquerschnitte für Feed bzw. Konzentrat bei hoher Stabilität und einfacher Montierbarkeit der einzelnen Bauelemente ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch l gekennzeichneten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 festgelegt.

Daraus ergibt sich zunächst der Vorteil, daß durch Verwendung von innen kalibriertem, auf den Außendurchmesser des Membranfilterelementes abgestimmtem Rohr für den Zylinder weder ein ungenutzter Spaltraum mit der Gefahr der Ablagerung von Verunreinigungen oder, bei Einsatz von Membranfilterelementen ohne separate Dichtelemente des Auftretens eines Kurzschlußstromes noch eine Beschädigung des Membranfilterelementes beim Einbau oder im Betrieb entstehen kann. Mit der genauen Abstimmung des Zylinderinnendurchmessers kann ggf. auch das Quellverhalten von Membranfilterelementen unter Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.

Durch Verwendung einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Oberflächenrauhigkeit der Innenseite des Zylinders einen Mittenrauhwert Ra nach DIN ISO 1302 von überall kleiner als 0,8 &mgr;&idiagr;&eegr; beträgt, können die oben genannten Vorteile noch weiter ausgeprägt werden. Die Gefahr von Ablagerungen auf der gesamten Innenfläche des Zylinders kann so minimiert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der Zylinderabschlüsse ergibt sich der Vorteil, daß durch zwei oder mehrere, zu einem vorzugsweise radial angeordneten Anschluß für Feed oder Konzentrat zusammenlaufende Verteilerrohre oder einen Verteileransatz mit angesetztem Rohrformteil wesentlich mehr der für Feed- oder Konzentratfluß zur Verfügung stehenden stirnseitigen Fläche erschlossen werden kann. In einer bevorzugten Weiterbildung werden als Verteileransatz ein exzentrischer Verteilerkonus oder eine Verteilerkalotte eingesetzt, die die Stirnfläche völlig überdecken, wodurch sogenannte Totzonen oder Teilvolumina unbewegter Flüssigkeit nahezu vollständig vermieden werden können. Ferner sind die Deckel der Zylinderabschlüsse so gestaltet, daß die von ihnen eingeschlossenen Verteilerkammern besonders klein sind und dennoch eine gleichmäßige Verteilung auf die Stirnseite eines Membranfilterelementes über ein sternförmiges

Zwischenstück ermöglicht wird. Kleine Restvolumina sind ein besonderer Vorteil, insbesondere bei sehr teuren Einsatzprodukten. Daher sind die die Membranfilterelemente axial abstützenden Zwischenstücke durch Verwendung von rostfreiem Edelstahl ebenfalls sehr klein und doch in einem breiten Einsatzfeld von hoher Steifigkeit. Aus Stabilitätsgründen und wegen der hohen Beständigkeit bzw. inerten Verhaltens gegenüber vielen Medien sind auch alle anderen Bauteile des erfindungsgemäßen Druckrohrs, mit Ausnahme der elastomeren O-Ringe, aus rostfreiem Edelstahl.

Durch Verwendung von spaltfreien bzw. an offenliegenden Flächen frei umspülbaren Dichtungseinheiten mit elastomeren O-Ringen wird das Einnisten von Keimen oder Verunreinigungen vermieden, so daß ein erfindungsgemäßes Druckrohr auch bei hohen Ansprüchen an Sterilität bzw. Reinheit eingesetzt werden kann. Außerdem bieten elastomere O-Ringe Kostenvorteile. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Abdichtung der Zylinderabschlüsse bzw. der Rohranschlüsse für die Produktleitungen wird durch eine asymmetrische Kammerung des O-Ringes der Vorteil einer sicheren Positionierung bei einfacher Montage des Dichtelementes erzielt. Ferner wird eine Vor-Rücksprung-Zentrierung und ein axial metallischer Anschlag vorgesehen, so daß der O-Ring auch im Einbauzustand fehlerfrei sitzt und Prozeßbedingungen sowie äußere Einwirkungen keinen Einfluß nehmen können.

Im folgenden soll nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit bevorzugten Weiterbildungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1: die Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung

eines vollständigen Druckrohres
Fig. 2: die Darstellung einer Stirnseite eines

erfindungsgemäßen Druckrohres mit 2 Verteilerrohren
Fig. 3: die Schnittdarstellung eines Zylinderabschlusses mit Verteilerkonus.

Ein erfindungsgemäßes Druckrohr besteht aus den Grundelementen Zylinder (1) , zwei oder mehreren Zwischenstücken (4), zwei Zylinderanschlüssen (6) mit einem Feedzulauf bzw. einem Konzentratablauf (20) sowie ein- oder beidseitig konzentrischem Permeatablauf (13). Die gesamte Konstruktion, mit Ausnahme von elastomeren O-Ringen (8, 18) als Abdichtungselemente, besteht aus rostfreiem Edelstahl. Die Flüssigkeitszu- bzw. -ablaufe (13, 19, 20) sind an beiden Stirnseiten des Druckrohres angebracht .

Der Zylinder (l) besteht aus innen kalibriertem Rohr, das von seinem Kaliber auf den Außendurchmesser des eingesetzten Membranfilterelementes (2) abgestimmt ist. Die Länge des Rohres entspricht in etwa der Länge der eingesetzten Filtereinheit aus einem oder mehreren Membranfilterelementen (2) und ggf. dazwischen gesteckten Zwischenstücken (4). An beiden Rohrenden ist innenbündig je ein Ansatzstück (7), z. B. durch Schweißen angebracht. Die zylindrische Innenfläche von Rohr und auch Ansatzstücken weist vorzugsweise einen Mittenrauhwert Ra nach DIN ISO 1302 von überall kleiner als 0,8 &mgr;&idiagr;&eegr; auf.

Der zylindrische Innenraum des Druckrohres wird an beiden Stirnseiten jeweils durch einen Deckel (9) verschlossen, an dem sich eine konzentrische Führungsfläche (10) befindet, mit der der Deckel (9) zum Zylinder (1) zentriert wird. Ferner befindet sich an ihm eine konzentrische Bohrung als Aufnahme für ein Zwischenstück (4) , deren Durchmesser vorzugsweise dem des Innenkanals (3) eines Membranfilterelementes (2) entspricht. Zum

Innenraum des Druckrohres hin wird vom Deckel (9) eine Verteilerkammer (12) eingeschlossen, innerhalb der sich zuströmende Flüssigkeit (Feed) gleichmäßig auf die durch das sternförmige Zwischenstück (4) unterteilte Sektoren und damit gleichmäßig auf die Stirnfläche eines Membranfilterelementes verteilen bzw. abströmende Flüssigkeit (Konzentrat) gleichmäßig zum Konzentratablauf abgeführt werden kann. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat das Ringvolumen der Verteilerkammer (12) vorteilhafterweise einen Ringaußendurchmesser von annähernd dem des Innendurchmesser des Zylinders (l) und eine Ringhöhe von weniger als einem Zehntel des Innendurchmessers des Zylinders (1).

Die Stirnfläche des Deckels (9) ist, im Falle eines angeschlossenen Permeatablaufs (13), durch eine konzentrische Bohrung sowie stets durch zwei oder mehrere, diese Stelle umgebende Öffnungen durchbrochen. In Baueinheit mit dem Deckel ist an die konzentrische Bohrung dann der besagte Permeatablauf (13) und an die umgebenden Öffnungen der Feedzulauf (19) bzw. Konzentratablauf (20) angeschlossen. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung mit zwei zu einem radial orientierten Rohranschluß (24, 25) symmetrisch zusammenlaufenden Verteilerrohren (21, 22) und geradem Permeatrohr (14) mit an ihm angebrachtem Permeatrohranschluß (15), wobei die Einmündung der zusammenlaufenden Verteilerrohre in den Rohranschluß z. B. durch ein passendes Übergangsstück (23) realisiert werden kann, um die Anpassung an eine ggf. größere Nennweite des Rohranschlusses (24, 25) zu erleichtern. Erfindungsgemäß bietet sich neben dem Anschluß von mehr als zwei Verteilerrohren auch die Möglichkeit der Anbringung eines Verteileransatzes mit angesetztem Rohrformteil. Als bevorzugte Ausgestaltung des Verteileransatzes wird ein exzentrischer Verteilerkonus (26) oder eine Verteilerkalotte mit angesetztem Rohrformstück vorgeschlagen. Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit exzentrischem Verteilerkonus (26), wobei der Deckel (9) konzentrisch ringförmig durchbrochen ist und die konzentrische Aufnahme für ein Zwischenstück (4) hier mit Bohrung für den Permeatdurchfluß, vorteilhafterweise durch zwei Stege (27) gehalten wird. Durch den exzentrischen Verteilerkonus (26), der hier durch das an

die konzentrische Bohrung angeschlossene Permeatrohr (14) durchbrochen ist, wird ein nahezu fließender Übergang des Strömungsquerschnittes von Feedzulauf (19) bzw. Konzentratablauf (20) zum Innenraum des Druckrohrs erzielt.

Der Deckel (9) wird mit lösbaren Verbindungselementen am Ansatzstück (7) befestigt, so daß ein druckfester und dichter Zylinderabschluß (6) entsteht. Ohne Beeinflussung der grundlegenden Konstruktionsmerkmale kann ein Zylinderabschluß (6) als Flansch-, Klemmflansch- oder Schraubverbindung ausgeführt sein. Gleiches gilt für die Rohranschlüsse (15, 24, 25) . Fig. 1 und Fig. 2 zeigen beispielhaft einen Zylinderabschluß (6) in Schraubverbindung mit Außengewinde am Ansatzstück (7) und an sich bekannter Überwurfmutter (11) in Form einer Nutmutter. Der Deckel (9) ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß Deckel und Überwurfmutter stirnseitig außen bündig zueinander sitzen. Zylinderabschlüsse in geflanschter Ausführung weisen Deckel und Ansatzstück als Flanschpaar und als Verbindungselemente Schrauben, ggf. mit Muttern, bzw. Klemmschellen auf. Die Rohranschlüsse (15, 24, 25) in Fig. 1 und Fig. 2 sind ebenfalls in Schraubverbindungsform dargestellt, wobei eine Verschraubungseinheit aus Anschlußstück (16), Gegenstück (17) und Überwurfmutter besteht.

Bei Wahl von Schraub- oder Klemmflanschverbindungen für Zylinderabschlüsse bzw. Rohranschlüssen wird eine freie Verdrehbarkeit der entsprechenden Paarungen zueinander ermöglicht, was den Einbau in Anlagen erleichtert. Die Abdichtung zwischen Ansatzstück (7) und Deckel (9) sowie an den Rohranschlüssen (15, 24, 25) ist erfindungsgemäß derart gestaltet, daß ein elastomerer O-Ring (8, 18) asymmetrisch, d. h. im Ansatzstück (7) bzw. Anschlußstück (16) mehr als 180° umschlossen, gekammert ist und die O-Ring-Kammerung durch eine entsprechende Kammerungsfläche am Deckel (9) bzw. Gegenstück (17) bis auf einen schmalen Orbitalspalt vervollständigt wird. Das Kammervolumen ist so festgelegt, daß beim Festziehen der Schraub- oder Flanschverbindung bis zur metallischen Berührung korrespondierender axialer Anschlagflächen das verdrängte Volumen des O-Ringes (8, 18) den Orbitalspalt vollständig ausfüllt. Zusammen mit einer präzisen Vor-Rücksprung-Zentrierung eines Verbindungspaares wird so eine

Spalt- und hohlraumfreie Abdichtung für Zylinderabschlüsse bzw. Rohranschlüsse erreicht.

Dank vorteilhafter Weiterbildungen erfindungsgemäßer Druckrohre, bei denen die Zylinderabschlüsse (6) beider Zylinderenden einschließlich der Zu- und Abläufe (13, 19, 20) und Rohranschlüsse (15, 24 25) in möglichst vielen, vorzugsweise allen Merkmalen symmetrisch zueinander sind, ist eine kostensparende Herstellung und ein erleichterter Aufbau entsprechender Produktionsanlagen möglich. Fig. l zeigt eine in allen Merkmalen spiegelsymmetrische Ausführung.

Die exakte axiale Positionierung von einem oder mehreren Membranfilterelementen (2) sowie die Aufnahme axialer Kräfte durch Druckdifferenzen zwischen Feed- und Konzentraträumen übernehmen sternförmige Zwischenstücke (4) aus rostfreiem Edelstahl. Neben ihrer Flüssigkeitsleitfunktion erfüllen sie die wesentliche Aufgabe der Abdichtung von Feed- bzw. Konzentrat und Permea träumen, so daß die Produkt räume nur über das oder die Membranfilterelemente (2) miteinander verknüpft sind. Hierzu dienen beidseitige Steckansätze, die mit der zentralen Bohrung einen zentralen zylindrischen Hohlkörper mit beidseitiger Nuten zur Aufnahme von O-Ringen (5) darstellen, an den vorzugsweise drei oder mehr sternförmig angebrachte Rippen anschließen. In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Zwischenstücke (4) hauptachsensymmetrisch mit Identität beider Steckansätze und können zwischen Deckel (9) und Membranfilterelement (2) als auch zwischen zwei benachbarten Membranfilterelementen (2) eingesetzt werden. Für sterile Bedingungen ist der Außendurchmesser der Steckansätze eines Zwischenstückes (4) beidseitig der 0-Ring-Kammerungen reduziert, damit die bestehenden Spalte genügend durchspült und die offenliegenden Flächen der O-Ringe (5) frei umspült werden können.

Claims (8)

Gebrauchsmusteranmeldung "Präzisionsdruckrohr" Schutzansprüche:

1. Rohrförmiger Druckbehälter zur Aufnahme von Membranfilterelementen (2) verschiedener Bauart, Abmessungen und Anzahl für die Trennung von Flüssigkeiten, bestehend aus einem Zylinder (1) , zwei oder mehreren Zwischenstücken (4), zwei Zylinderabschlüssen (6) mit einem Feedzulauf bzw. einem Konzentratablauf (20), sowie ein- oder beidseitig konzentrischem Permeatablauf (13) , dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) aus innen kalibriertem, auf den Außendurchmesser des Membranfilterelementes (2) abgestimmtem Rohr besteht, ferner, daß an jeder Zylinderseite eine Verteilerkammer (12) durch einen Deckel (9) eingeschlossen wird, an dem sich eine konzentrische Führungsfläche (10) und eine konzentrische Aufnahme für ein Zwischenstück (4) befindet und dessen Stirnfläche durch eine konzentrische Bohrung bei angeschlossenem Permeatablauf sowie zwei oder mehrere, diese Stelle umgebende Öffnungen, durchbrochen ist, wobei in Baueinheit ein vorzugsweise gerades Permeatrohr (14) an die konzentrische Bohrung und zwei oder mehrere, zu einem vorzugsweise radial angeordneten Anschluß für Feed (19) oder Konzentrat (20) zusammenlaufende Verteilerrohre (21,22) oder ein Ver teileransatz mit angesetztem Rohrformteil an die umgebenden Öffnungen anschließen und mit den an den Steckansätzen der Zwischenstücke (4) befindlichen Produktabdichtungen (5) zwei nur über das oder die Membranfilterelemente (2) miteinander verknüpfte Räume schaffen, ferner, daß alle lösbaren Verbindungen mit O-Ringen (5, 8, 18) derart abgedichtet sind, daß keine Spalten bestehen bzw. die offenliegenden Flächen der O-Ringe von Flüssigkeit frei umspült werden können, ferner, daß die Zylinderabschlüsse (6) und die Rohranschlüsse (15, 24, 25) ohne Beeinflussung von den grundlegenden Konstruktionsmerkmalen als Flansch-, Klemmflansch- oder Schraubverbindung ausgeführt sein können und ferner, daß als Werkstoff für alle Bauelemente, mit Ausnahme der elastomeren O-Ringe, rostfreier Edelstahl Verwendung findet.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderabschlüsse (6) beider Zylinderenden mit allen

Anschlüssen und Dichtungselementen vorzugsweise identisch ausgeführt sind.

3. Druckbehälter nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Innenfläche des Zylinders (1) einen Mittenrauhwert Ra nach DIN ISO 1302 von überall kleiner als 0,8 /xm aufweist.

4. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die vom Deckel (9) eingeschlossene Verteilerkammer (12) ein Ringvolumen mit einem Ringaußendurchmesser von annähernd dem des Innendurchmessers des Zylinders (1) und einer Ringhöhe von vorzugsweise weniger als einem Zehntel des Innendurchmessers des Zylinders (1) hat.

5. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Verteileransatz für Feed bzw. Konzentrat vorzugsweise aus einem exzentrischen Verteilerkonus (26) oder einer Verteilerkalotte mit angesetztem Rohrformstück besteht, wobei der Deckel (9) konzentrisch ringförmig durchbrochen ist und die konzentrische Aufnahme für ein Zwischenstück (4) , gegebenenfalls mit Bohrung für Permeatdurchfluß, durch zwei oder mehrere Stege (27) gehalten wird.

6. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenstück (4) aus Edelstahl aus einem zentralen zylindrischen Hohlkörper mit beidseitigen Nuten für die Aufnahme von O-Ringen sowie 3 oder mehreren, sternförmig an ihm angebrachten Rippen besteht, hauptachsensymmetrisch ist und sowohl zwischen Deckel (9) und Membranfilterelement (2) als auch zwischen zwei benachbarten Membranfilterelementen (2) eingesetzt werden kann.

7. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung zwischen Ansatzstück (7) und Deckel (9) sowie an den Rohranschlüssen (15, 24, 25) derart gestaltet ist, daß ein O-Ring im Ansatzstück (7) bzw. Anschlußstück (16) mehr als 180° und durch eine entsprechende Kammerungsfläche am Deckel (9) bzw. Gegenstück (17) bis auf einen Orbitalspalt vollständig umschlossen gekammert ist, wobei das Kammervolumen

bei metallischem Anschlag von Ansatzstück (7) und Deckel (9) bzw. Anschlußstück (16) und Gegenstück (17) so dimensioniert ist, daß das verdrängte Volumen des O-Ringes den Orbitalspalt vollständig ausfüllt, ferner daß sich Ansatzstück (7) und Dekkel (9) bzw. Anschlußstück und Gegenstück (17) durch Rückbzw. Vorsprung achsgenau zueinander zentrieren.

8. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkleinern des Außendurchmessers der Steckansätze eines Zwischenstücks (4) beidseitig der O-Ring-Kammerungen die offenliegenden Flächen der O-Ringe (5) frei umspült werden können.