DE2529977B2 - Vorrichtung mit Membranen auf rohrförmigen Abstützungen zum Behandeln von Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen mit Membranen auf rohrförmigen Abstützungen können im allgemeinen verhältnismäßig kompakt sein und für Fluide günstige hydrodynamische Strömungsbedingungen aufweisen. Bei den z. B. aus der FR-PS 20 02 349 bekannten Vorrichtungen dieser Art sind die rohrförmigen Stützelemente innen mit einer Membran ausgekleidet. Diese Vorrichtungen sind nicht so kompakt wie möglich, und es ist nicht immer leicht, den Zustand der Membranen zu überprüfen und diese zu reinigen. Dies gilt auch für das aus der DE-OS 22 34 289 bekannte Modulaggregat für umgekehrte Osmose, bei dem ein umflochtenes Membranrohr um eine zylindrische Spule gewickelt ist.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß sie sehr kompakt ist, sich für die Durchströmung mit hohen Durchsätzen eines Spülfluids sowie für das wirksame Sammeln des Permeats eignet und den Fluiden gute Strömungsbedingungen bietet. Ferner soll die Vorrichtung leicht gewartet werden können und insbesondere das leichte Überprüfen des Zustands der Membranen sowie gegebenenfalls deren Reinigung gestatten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst

Durch die auf dem Außenumfang der Abstützrohre angeordnete Membran ergibt sich pro Volumeneinheit der Vorrichtung eine größere Membranfläche, wobei > trotz zentraler Ableitung durch die Nabe eine insgesamt sehr kompakte Ausgestaltung erzielt wird Die Membranen können insbesondere auf dem Umfang der Wicklungen leicht kontrolliert werden. Sie können z. B. durch Waschen gegebenenfalls an Ort und Stelle leicht ίο gereinigt werdea Die Montage und Wartung wird insbesondere mittels abnehmbarer Wicklungen erleichtert

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt entlang einer axialen Ebene I-I einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung; F i g. 2 einen Schnitt entlang einer radialen Ebene H-II der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung;

F i g. 3 einen Querschnitt durch ein Abstützrohr mit darauf angeordneter Membran;

F i g. 4 einen Teilschnitt entlang einer axialen Ebene V-V einer zweiten Ausführungsform, und F i g. 5 einen Teilschnitt entlang einer radialen Ebene VI-VI der in F i g. 4 dargestellten Vorrichtung.

In F i g. 1 und 2 enthält eine als Abscheidet für Fluide wirkende Verrichtung, ein aus einem zylindrischen Behälter gebildetes Gehäuse 1 mit einem Deckel 2, die 3« durch bekannte Mittel, z. B. durch Schrauben 3, dicht zusammengebaut sind. Innerhalb der Vorrichtung ist längs der Achse des Behälters eine zylindrische hohle Nabe 4 angeordnet Diese Nabe kann durch jedes bekannte Mittel, etwa durch Schrauben 5, am Behälter J5 bzw. am Deckel befestigt sein. Nicht dargestellte Dichtungen sind an ihren Enden angeordnet. Diese Nabe dient als Abstützung für mehrere Wicklungen 6, von denen der besseren Klarheit wegen nur eine einzige in F i g. 1 dargestellt ist.

«ο Die Wicklung 6 besteht aus fünf identischen Einheiten 7 von rohrförmigen Membranen, wobei vier durch Rechtecke mit Diagonalen schematiseh dargestellt sind. Jede Einheit 7 besteht aus einer porösen rohrförmigen Abstützung 8, die innen mit einem axial verlaufenden Kanal 9 versehen ist und außen von einer Membran 10 bedeckt ist (Fig. 3). Die Membran wird im allgemeinen auf der Abstützung vor deren Formgebung gebildet. Ein Ende des Kanals 9 mündet in einer Öffnung 11 einer Sammelleitung 12, wobei die Einheit 7, z. B. mittels einer Hülse aus einem Elastomer dicht mit dieser Sammelleitung verbunden ist. Die Einheit 7 wird von der Nabe 4 bis zur Sammelleitung 12 in einer radialen Ebene als Spirale regelmäßig aufgewickelt. Hierbei ruht die erste Lage von Windungen auf einer durchbrochenen Abstützung, die z. B. aus einer Reihe von sechs radialen an der Nabe 4 befestigten Stangen 13 besteht. Eine zweite Lage von Windungen ruht auf der vorhergehenden, wobei sie von der Nabe 4 bis zur Sammelleitung 12 spiralenförmig aufgewickelt wird. Das zweite Ende des Kanals 9 mündet in die Öffnung 14 der Sammelleitung 12.

Auf diese Weise wird jede Einheit 7 spiralförmig aufgewickelt, wobei die beiden Enden dicht mi; der Sammelleitung 12 verbunden sind. Diese mündet in einen innerhalb der Nabe 4 gelegenen Hauptkanal 15. Eine zweite Reihe von sechs radialen Stangen 16, die identisch mit den Stangen 13 sind, hält die spiralförmig aufgewickelten Einheiten 7 zusammen.

Der Hauptkanal 15 steht über eine öffnung 17 mit der Außenseite der Vorrichtung in Verbindung. Überdies ermöglichen öffnungen 18 am Deckel 2 und öffnungen 19 am Gehäuse 1 das Einführen und/oder Entleeren sowie einen Umlauf eines Fluids um die aufgewickelten ·-. Einheiten 7.

Um die Wicklung 6 werden vorteilhaft auf den Innenwänden des Gehäuses 1 eine oder mehrere Lagen eines weichen elastischen und im wesentlichen gegenüber Fluiden dichten Materials 20 angeordnet z. B. eine ι ο Folie aus Schaumstoff, etwa eine weiche Folie aus expandiertem Polyurethanschaum.

Dieses Material nimmt den Zwischenraum zwischen der Wicklung 6 und der Sammelleitung 12 einerseits und dem Gehäuse der Vorrichtung andererseits ein. Es zwingt das außerhalb der Einheiten 7 umlaufende Fluid, diese zu umströmen und in diese einzudringen.

Der Betrieb dieser Vorrichtung, die z. B. für einen Abscheidevorgang durch umgekehrte Osmose verwendet wird, ist folgender. Die zu behandelnde Lösung wird 2(1 durch die öffnung 18 in die Vorrichtung eingeleitet, wobei sie das gesamte verfügbare Vokimen füllt Sie umströmt die Membranen und wird durch bekannte nicht dargestellte Einrichtungen dem gewünschten Druck unterworfen. Die Lösung durchquert unter der Wirkung dieses Drucks selektiv die Membranen, während das Gelöste außerhalb der Membranen zurückgehalten und durch die öffnung 19 abgezogen wird. Die Lösung erreicht nach dem Durchqueren der Membranen 10 und deren porösen Abstützung 8 den axialen Kanal 9, den sie durchläuft bis sie db Sammelleitung 12 und dann den Hauptkanal 15 erreicht. Die Lösung wird dann an der öffnung 17 gesammelt.

Die poröse Abstützung 8 kann einen Querschnitt beliebiger Form haben, z. B. vieleckig oder elliptisch, ist aber vorteilhaft kreisförmig. Dieses Element kann mit mehreren Längskanälen versehen sein, ist aber im allgemeinen mit einem einzigen axialen Kanal versehen, dessen Querschnitt vorteilhaft demjenigen der porösen Abstützung ähnlich, z. B. kreisförmig, ist

Die Quer- und Längsabmessungen der porösen Abstützungen 8 für die rohrförmigen Membranen 10 können vom Fachmann zur leichten Montage und Wartung der Vorrichtung bestimmt werden. Bei den als Abscheider wirkenden Vorrichtungen werden diese Abmessungen untereinander so bestimmt, daß eine normale Strömung des Fluids ermöglicht, das die Membran durchströmt hat.

Im Querschnitt kreisförmige Abstützungen 3 haben Außendurchmesser von im allgemeinen 1 bis 10 mm. Rohre mit größeren Durchmessern sind weniger leicht spiralförmig zu wickeln und ergeben vor allem eine geringere Kompaktheit (d. h. ein Verhältnis der Membranoberfläche zum Volumen der Vorrichtung), während Rohre mit kleineren Durchmessern schwieriger in Betrieb zu setzen sind und Gefahr laufen zu verstopfen.

Als poröse Abstützungen 8 können verschiedene Materialien verwendet werden, die zum Abstü'zen einer Membran ausreichend fest sind und für Fluide wenigstens ebenso durchlässig sind wie die von ihnen abgestützte Membran 10. Es können z. B. durch ein Harz verbundene Glasfasern oder poröse oder durchlöcherte thermoplastische Materialien verwendet werden. Es können auch biegsame Prolile verwendet werden, die τ. B. von einem schraubenförmig aufgewickelten Band aus einem Vlies bedeckt sind. Es wird die Verwendung einer pine Schnur bildenden gewebten, geflochtenen oder gestrickten Textilhülle bevorzugt Als Membranabstützung können die in den FR-PS 21 82 730 und 21 94 461 beschriebenen Schnüre verwendet werden. Ferner sind die in der BE-PS 8 14 953 beschriebenen hohlen und biegsamen Schnüre sehr geeignet Diese weiser eine homogene Textur auf, die durch Kernerhitzung verdichtet und stabilisiert ist und ein Aufwickeln in regelmäßigen Spiralen mit Krümmungsradien von insbesondere 1 bis 10 cm und das Beibehalten von im wesentlichen kreisförmigen Querschnitten gestattet

Die Abstützrohre 8 werden mit für Fluide durchlässigen Membranen 10 umkleidet, die vorzugsweise an ihren Abstützungen haften. Diese Membranen sind meistens halbdurchlässige Membranen, d. h. für Fluide selektiv durchlässig. Diese Membranen können homogen (cder dicht), mikroporös, anisotrop (mit veränderlicher Porosität oder mit Haut) oder auch noch zusammengesetzt sein, d. h. aus mehreren Lagen von unterschiedlicher chemischer Art Diese verschiedenen Membranarten können durch bekannte Verfahren erhalten werden, z. B. durch das Gießen einer Lösung, mit anschließender Beseitigung des Lösungsmittels, meistens durch Verdampfen oder Koagulieren.

Als Membran kann jede Membran verwendet werden, die in trockenem oder feuchtem Zustand gehalten, eine ausreichend Bruchdehnung besitzt, so daß sie ohne zu reißen die dem Stützelement erteilten minimalen Krümmungsradien annehmen kann. Es können z. B. verwendet werden: für die umgekehrte Osmose Membranen auf der Basis von Zelluloseazetat wie sie in der FR-PS 14 26 548 angegeben sind, oder lonentauschmembranen aus gemäß der US-PS 37 09 841 sulfonierten Polyaryläthersulfonen, für die Ultrafiltration Membranen aus Polyakrylonitril gemäß der BE-PS 7 72 361 oder biionische Membranen auf der Basis von komplexen Polyelektrolyten gemäß der FR-PS 21 44 922 und für die Gaspermeation Membranen auf der Basis von Silikonelasto.neren oder mikroporösem Polyvinylchlorid.

Die F i g. 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Ein zylindrisches Gehäuse 21 ist an jedem Ende durch identische Böden 22 geschlossen, von denen nur einer dargestellt ist, der mit einer axialen öffnung 23 und einer seitlichen öffnung 24 versehen ist. Der Boden 22 wird von einem offenen Federring 25 gehalten, während die Abdichtung durch eine Ringdichtung 26 hergestellt wird. Den Wicklungen 27 und 28 entsprechende Wicklungen sind über der ganzen Länge der Vorrichtung gestapelt. Sie können leicht übereinandergelegt und wieder abgenommen werden. Die Naben 29 und 30 sind in der Achse der Vorrichtung angeordnet und einerseits auf einer Schulter 31 jedes Bodens und andererseits auf Hülsen 32 zentriert, die mit geeigneten Dichtringen versehen sind. Die Abstützrohre 8 mit rohrförmigen Membranen 10 werden spiralförmig um Naben 29 und 30 angeordnet und seitlich von durchbrochenen Scheiben 33 und 34 und an ihrem Umfang von einer dichten Hülle 39 gehalten. Die offenen Enden der rohrförmigen Abstützungen 8 münden über öffnungen 35 in eine Sammelleitung 36, die über Kanäle 37 mit einem Hauptkanal 38 verbunden ist, der über die öffnung 23 mit der Außenseite der Vorrichtung in Verbindung steht. Ein Zwischenstück 40 hält einen passenden Zwischenraum zwischen der Scheibe 33 und dem Boden 22 aufrecht und gestattet einem durch die öffnung 24 eindringenden Fluid, sich um die rohrförmigen Membranen innerhalb der Vorrichtung zu verteilen.

Das Fluid, das die Membranen nicht durchquert hat, tritt durch eine der Öffnung 24 entsprechende Öffnung am entgegengesetzten Ende der Vorrichtung aus. Das durch die Membranen geströmte Fluid strömt durch die öffnungen 35 in die Sammelleitung 36, die Querkanäle 37 und in den Hauptkanal 38 sowie durch die Öffnung 23.

Nach einer Variante ist jedes Abstützrohr 8 mit einem Ende an der Sammelleitung 12 angeschlossen, während das entgegengesetzte Ende durch ein volles Übergangs- :· rohrstück verschlossen sein kann. Als weitere Variante können die Sammelleitungen 12 jeder Wicklung zur Bildung einer einzigen Sammelleitung verbunden werden, die unmittelbar außerhalb der Vorrichtung mündet. Jede Einheit 7 verbindet dann den Hauptkanal ' 15 mit der einzigen Sammelleitung 12. Die Vorrichtung weist dann vier mit der Außenseite in Verbindung stehende öffnungen auf, wodurch ein Umlauf von zwei Fluiden innerhalb der Vorrichtung möglich ist, die dann als Austauscher arbeiten kann. ..>;

Nach einer anderen Ausgestaltung kann das Aufwikkeln der Abstützrohre um die Nabe 4 herum in radialen Ebenen ersetzt werden und durch ein schraubenförmiges Aufwickeln, so daß sie konzentrische Lagen bilden.

Um die Strömung eines Fluids um die Membraner zu erleichtern, können die aneinanderliegenden Einheiten 7 durch bekannte Mittel in geringem Abstand gehalten werden, etwa durch vorzugsweise dünne biegsame und regelmäßig verteilte Zwischenstücke aus z. B. Kunststofflappen, Garnen, Netzen mit großen Maschen usw. se-Ein wenigstens alle 5 cm aufrechterhaltener Abstand von weniger als 1 mm ergibt gute Resultate.

Es kann von Interesse sein, jede Wicklung mit einer elastischen oder vorzugsweise warm schrumpffähigen Hülle dicht oder durchlässig zu umhüllen, die in diesem "■ Fall aus einem Netz oder Gewebe besteht Diese Hülle gestattet das Halten der aufgewickelten Abstützrohre 8 in ihrer Lage während der Montage oder der Wartung der Vorrichtung.

In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, «o Umlenkbleche vorzusehen, die das umlaufende Fluid zur Außenseite der rohrförmigen Membranen lenken, damit sich ein bestimmter Strömungsverlauf ergibt

Der die Membranen umspülende Strom kann somit ausgerichtet und dessen Geschwindigkeit vorbestimmt werden, um die Wirksamkeit der Austauschvorgänge an den Membranen zu verbessern.

Auf diese Weise können zwischen jeder Einheit 7 Umlenkbleche angeordnet werden, die entweder aus versetzten Scheiben oder aus versetzten konzentrischen Zylindern bestehen, um den die Membranen umspülenden Strom zu zwingen, einen zickzackförmigen Verlauf in radialer, axialer oder sogar spiralförmiger Richtung zu nehmen.

Die Vorrichtung weist den Vorteil einer hohen Kompaktheit auf, d. h. einer großen Membranoberfläche in einem gegebenen Volumen. Die Möglichkeit Abstützungen für rohrförmige Membranen mit Durchmessern zu wickeln, die einige Zentimeter nicht überschreiten, ergibt eine wesentliche Verringerung des so Durchmessers der Nabe 4. Andererseits kann das die aufgewickelten rohrförmigen Membranen am Umfange schützende Material 20 auf eine einfach Folie reduziert werden. Die aufgewickelten rohrförmigen Membranen nehmen somit beinahe das ganze innere Volumen der Vorrichtung ein.

Die Vorrichtung kann von großen, um die Membranen herumströmenden Flüssigkeitsmengen durchquert werden, wobei die Flüssigkeit ebenfalls suspendierte Feststoffe enthalten kann. Die besondere Ausbildung der Membranen schafft hydrodynamische Bedingungen, die ein wirksames Arbeiten der Vorrichtungen an den Membranen gestatten.

Die Abmessungen der Kanäle 9 in den Abstützrohren 8 können so ausgelegt werden, daß sie gerade eine normale Strömung des durch die Membranen eingedrungenen Fluids gestatten.

Die beschriebenen Vorrichtungen gestatten die Ausführung von Abscheidevorgängen von Fluiden (Ultrafiltration, umgekehrte Osmose, Gaspermeation) und sogar von Misch vorgängen. Diese Vorgänge können auch Anreicherungsvorgänge darstellen. Die Vorrichtungen eignen sich ferner für Austauschvorgänge (etwa Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, Befeuchtung und/oder Konditionierung von Luft) oder zum Mischen (z. B. Lösung von bestimmten Gasen in Flüssigkeiten).

Beispiel

Es wird eine Vorrichtung für umgekehrte Osmose gemäß den F i g. 1 und 2 gebaut mit einer Wicklung von 13,5 cm Länge und einem Durchmesser von 16 cm, die von einer Nabe mit einem Durchmesser von 5 cm und von 9 Schnüren mit einer einheitlichen Länge von 20 m gebildet wird, die eine nutzbare Membranoberfläche von 1,4 m² aufweisen. Jede Schnur ist an dem nabenseitigen Ende geschlossen und mündet am anderen Ende in eine Sammelleitung 12, an die sie durch eine Hülse aus Silikonelastomer angeschlossen ist.

Jede Schnur wird durch eine hohle biegsame und aus Polyäthylenfäden geflochtene Hülle mit einem Außendurchmesser von £5 mm gebildet, die gemäß der BE-PS 8 14 953 thermisch behandelt wird. Sie wird von einer Membran bedeckt, die an Ort und Stelle durch Auflage eines Kollodions auf der Basis von Zelluloseazetat gemäß den in den FR-PS 14 26 548 und 15 06 402 beschriebenen Techniken hergestellt wird.

Innerhalb der Vorrichtung wird zwischen den öffnungen 18 und 19 ein Umlauf von 900 l/h Rohwasser unter einem Druck von 30 bar eingestellt Durch die öffnung 17 wird reines Wasser gesammelt das die Membranen durch umgekehrte Osmose durchquert hat.

Es werden die folgenden Ergebnisse erhalten, wobei der Ausscheidungsgrad in Prozent das Verhältnis zwischen der Menge des von der Membran zurückgehaltenen Salzes zur anfänglichen Salzmenge bezeichnet.

Mit einem Rohwasser, dessen Härte einer Wasserhärte von 30 französischen Grad bei 2O⁰C und 30 bar entspricht beträgt der Ausscheidungsgrad 91,2%, während der Durchsatz von reinem Wasser 554L/ m²/Tag entspricht Dies beweist daß die beschriebene Vorrichtung unter industriellen Bedingungen einsetzbar ist

Als Vergleich können im gleichen zylindrischen Gehäuse entweder 10 den oben verwendeten identische Wicklungen verwendet werden, die folglich eine Gesamtoberfläche von 143 m² aufweisen, oder ein Bündel von 684 identischen, jedoch geradlinigen und parallelen Schnüren mit einer einheitlichen Länge von 135 cm, die insgesamt nur eine Membranoberfläche von 73 m² aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   I. Vorrichtung zur umgekehrten Osmose und Ultrafiltration, mit Membranen auf porösen rohrförmigen Abstützungen, die im Innenraum eines Gehäuses wenigstens eine Wicklung bilden, wobei die rohrförmig abgestützte Membran regelmäßig um eine Nabe gewickelt und innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Abstützung (8) außen von der Membran (10) bedeckt ist, so daß sich ein Kanal (9) für das Permeat innerhalb des Rohres ergibt, und daß alle Wicklungen (6) eine gemeinsame hohle Nabe (4,30) aufweisen, die über Rohrleitungen (12, 36) mit den Abstützrohren (8) jeder Wicklung verbunden ist und als Hauptkanal (15, 38) für die Ableitung des Permeats dient
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß ein biegsames, elastisches und gegenüber Fluiden dichtes Material (20) den Raum zwischen jeder Wicklung (6, 27, 28) und dem Gehäuse (1) ausfüllt
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützrohre (8) durch bekannte Mittel im geringen Abstand gehalten werden.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Wicklungen (6,27) übereinander angeordnet in Achsrichtung der Nabe (4) gehalten und abnehmbar sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Wicklungen (27,28) mittels durchbrochener Scheiben (33, 34) auf der Nabe axial festgelegt sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe in Abschnitte (29, 30) unterteilt ist, die dicht miteinander verbunden sind.