FI114617B

FI114617B - Suodatinyksikkö ja menetelmä sen tiivistämiseksi

Info

Publication number: FI114617B
Application number: FI991576A
Authority: FI
Inventors: Teppo Nurminen; Martin Still
Original assignee: Steris Europe Inc
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2004-11-30
Also published as: US6758970B1; WO2001003813A1; FI991576A; CA2378527C; EP1204462A1; CA2378527A1; AU5409800A

Description

Suodatinyksikkö ja menetelmä sen tiivistämiseksi 114617

Keksinnön ala

Keksintö koskee suodatusta crossflow- eli poikittaisvirtaustekniikan avulla ja suodatinele-5 menttejä, joissa on suodatinmembraani huokoisella kantajalla.

Erityisesti keksintö koskee poikittaisvirtausmembraanisuodatinyksikköä, joka on varustettu tiivistysjäijestelmällä, joka käsittää kanavan, jonka avulla vuoto on havaittavissa ilman että suodoksen laatu huononee.

10

Keksinnön tausta

Kiinteiden aineiden poistaminen nesteestä suodattamalla voi tapahtua usealla, periaatteeltaan erilaisella tavalla. Ns. dead-end suodatuksessa suspensio ohjataan kokonaisuudessaan suodatinta kohti, ja muodostuu suodatinkakku, jonka läpi suodos tunkeutuu. Poiki ttaisvirtaus-15 suodatuksessa suodatettava seos pumpataan kiertopiirissä suodatuselementin yli, jolloin osa seoksesta tunkeutuu suodatuselementin läpi muodostaen permeaattivirtauksen. Ihanne-tapauksessa kakkua ei muodostu, vaan erotettava aines rikastuu piirissä kiertävään faasiin ja siitä poistetaan jatkuvasti tietty osuus rejektivirtana. Permeaatin laatu riippuu pääosin suoda-tuselementtimembraanin huokoskoosta.Tämä huokoskoko voi olla hyvinkin tarkasti määritel-20 ty. Mikrosuodatuksessa huokosten halkaisija voi olla 0,1 - 10 μτη ja ultrasuodatuksessa 1 nm saakka. Näin ollen molekyylien erotus koon perusteella on mahdollista suodatuksen avulla.

: · ’ Eräs sovellutus on pyrogeenien poisto vedestä, joiden pyrogeenien molekyylit ovat verraten suuria.

' * * 25 Membraanisuodatuselementeillä on huokoiset kantajarakenteet, joiden suodatuspinnoille on

> I

muodostettu hyvin määritellyn hiukkaskoon omaavat membraanit.

. _ Pienihuokoiset membraanit voidaan muodostaa esim. polymeerikalvoista. Nämä eivät > t kuitenkaan ole erityisen hyvin mekaanista ja termistä rasitusta kestäviä, mikä on haittana 30 steriloinnissa ja puhdistuksessa. On myös kehitetty keraamisia membraaneja huokoisilla ke-;; (* raamisilla kantajafaaseilla. Useimmat keraamiset materiaalit kestävät lämpöä sen lisäksi että ne ovat mekaanisesti kestäviä. Keraamisen elementin, kuten muiden materiaalien, pinnat :. * voidaan myös sulkea, so. tehdä läpäisemättömiksi. Näin ollen keraamisen suodatinelementin : pinnat voivat olla tyypiltään kolmenlaisia: membraanilla päällystettyjä, suljettuja ja käsit- 35 telemättömiä, joiden läpi permeaatti virtaa vapaasti.

2 114617

Esim. US-patentissa 5,104,546 on esitetty monikerroksinen keraaminen putkenmuotoinen suodatinelementti, joka soveltuu pyrogeenin poistoon ultrasuodatuksella. Elementin päätyseinämät sekä kanavien sisäseinämät on päällystetty membraanilla. Kun elementti on 5 sijoitettu vaipan tai kotelon sisään, ja seosta pumpataan sisäkanavien kautta, permeaatti virtaa huokoisen kantajan läpi vaipan puolelle. Vaipan ja elementin päätyseinämien välillä tulee olla tiivisteitä, esim. kumitiivisterenkaita.

Putkenmuotoisten elementtien lisäksi levynmuotoiset keraamiset elementit ovat yleisesti 10 tunnettuja, ks. esim. WO 98/28060 ja siinä olevat viitteet. Levynmuotoisessa suodatinelemen-tissä on membraanilla päällystetty ulkopinta sekä keskellä tai muualla oleva aukko, jonka seinämiä ei ole päällystetty membraanilla. Suodattimia voidaan muodostaa pinoamalla tällaisia levyjä päällekkäin, kuten esim. julkaisussa GB 1 268 875 on esitetty. Levyjen muodon ansiosta vastakkain tulevat pinnat voivat olla korkeammalla kuin suodatuspinnat, jolloin levyjen 15 väliin jää pinottaessa vapaata suodatuspintaa; levyt voidaan erottaa toisistaan välikkeillä; tai jos levyjen väliset tiivisteet ovat riittävän paksut, tiivisteet toimivat välikkeinä. Keskiaukoista muodostuu siten permeaatin keräily- ja poistokanava, ja levypakasta muodostuu laippaputki-rakenne, jonka yli paineenalainen suodatettava seos pääsee virtaamaan. Seos virtaa siten vaipan puolella ja permeaatti kerätään sisäkanavasta.

20

Koottaessa levypakkoja on levyjen ja/tai välikkeiden välillä ja elementtien ja kotelon välillä > I · ' ·' · * käytettävä tiivisteitä, joiden lukumäärä on suoraan verrannollinen käytettyjen levyjen : ’ * lukumäärään.

’ I » » · » t * ’ / 25 Edellä kuvatussa suodatinyksikössä seoksen ja permeaattipuolen väliset tiivisteet ovat * · · I · · I,. potentiaalisia vuotokohtia, ja vaativissa suodatusprosesseissa pieni vuoto voi välittömästi t * » ► · * tehdä permeaatin käyttökelvottomaksi kun suodatettava seos tunkeutuu permeaattikanavaan.

' · ’ t Putki- tai putkinipputyyppisissä keraamisissa suodatinyksiköissä tiivistysongelma liittyy 30 yksiköiden päätyosiin. Jos syöttöseos tunkeutuu kotelon ja suodatinelementin välisen ;; / liitoskohdan läpi ja pääsee vaippapuolelle, permeaatti kontaminoituu. Levypakkatyyppisissä '; suodatinyksiköissä levyjen väliset liitoskohdat ja levypakan ja kotelon väliset liitoskohdat ovat potentiaalisia vuotokohtia.

3 114617

Keksinnön selitys

Keksinnön päätavoitteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen poikittaisvirtaustyyppinen membraanisuodatusyksikkö, jossa suodatuselementin tai -elementtien ja sen kotelon välinen 5 tiivistysjäqestelmä käsittää kanavan, jonka kautta syöttöseos voi virrata vuodon ilmaisemiseksi tunkeutuessaan tiivistysjäijestelmän läpi, ilman että se tunkeutuu koko tiivis-tysjäijestelmän läpi.

Keksinnön mukaan käytetään levynmuotoisia suodatuselementtejä, ja suodatinlevyjen välissä 10 käytetään ainakin kahta samankeskistä tiivistettä, Siten muodostuu tiivisteiden ja kahden levyn määrittämä tila. Mainitun tilan kohdalla levyn pinta on tiivistetty, so. tehty läpäisemättömäksi. Lisäksi kuhunkin levyyn on tämän tilan kohdalla muodostettu ainakin yksi aukko, joka yhdistää pakan viereisten levyjen väliset tilat toisiinsa. Myös aukon (aukkojen) seinämät on tiivistetty, ja siten muodostuu permeaattikanavaa ympäröivä eristetty, tiivis tila.

15 Voidaan jäljestää putki tai vastaava yhdistämään tämä tila ulkotilaan. Jos kahden levyn välisessä tiivisteessä esiintyy vuotoa, neste voi tällöin virrata eristettyyn tilaan ja ulos. Näin ollen vuotava tiiviste voidaan havaita välittömästi, eikä syöttöseoksella ole mahdollisuutta päästä permeaattikanavaan.

20 Edullisesti kaksoistiivistejärjestelmä muodostuu kahdesta samankeskisestä, halkaisijaltaan erikokoisesta renkaanmuotoisesta tiivisteestä. Tiivisteet voivat olla O-rengastyyppiä, ja suodatinlevyissä voi olla niitä vastaavat urat. Eri kemiallisia ja fysikaalisia olosuhteita varten ; ’ on saatavilla erittäin laaja valikoima O-renkaita, ja koska keraamisten suodatinlevyjen * 1' ,1 kemiallinen ja terminen kestävyys on yleensä korkea, saadaan näin aikaan suodatinrakenne, 25 joka toimii vaikeissa oloissa permeaatille alhaisella riskillä kontaminoitua syöttöseoksesta.

» 1 1

Pinnan tiivistys voidaan saada aikaan erilaisilla alan asiantuntijalle tunnetuilla tavoilla.

.:, Keraamisten suodatinelementtien pinta voi olla lasitettu, tai voidaan käyttää prosessin . 1 1, vaatimusten mukaisia orgaanisia pinnoitteita. Orgaaniset pinnoitteet ovat ilmeisesti . ‘, 30 käyttökelpoisia käytettäessä orgaanisia suodatinelementtejä. Toinen mahdollisuus on käyttää ♦ 1 1 • 1 t metallikalvoja.

» · • : poikittaisvirtausmembraanisuodatusyksikön tiivistämiseksi, joka käsittää yhden tai useampia 35 kotelon sisällä olevia levymäisiä suodatinelementtejä.

1 » ' : ' Keksinnön toisena tavoitteena on saada aikaan patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä > » 5 5 4 114617

Edullisesti keksinnön mukaisia suodatuselementtejä käytetään veden suodatuksessa, vielä edullisemmin veden ultrasuodatuksessa; kaikkein edullisimmin keksinnön mukaisia suodatinelementtejä käytetään kuuman steriloidun, pyrogeenivapaan veden tuottamisessa.

Piirustusten lyhyt selostus

Kuvio 1 esittää tekniikan tason mukaista keraamista suodatinlevyä; kuvio 2 esittää levyistä muodostetun tekniikan tason mukaisen levypakan sivuleikkausta; kuvio 3 esittää poikittaisvirtaussuodatusjärjestelmän kaaviokuvaa; 10 kuvio 4 esittää esillä olevan keksinnön mukaista keraamista suodatinlevyä; j kuvio 5 esittää patenttivaatimuksen 4 mukaisista levyistä muodostetun esillä olevan kek- | sinnön mukaisen levypakan sivuleikkausta.

Yksityiskohtainen selitys 15 Keksintöä selitetään seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin.

Kuvio 1 esittää tekniikan tason mukaista keraamista suodatinlevyä 1, jossa on keskiaukko 2. Kuvio 2 esittää levyistä 1 muodostetun pinon osan leikkauskuvaa. Kuviossa on esitetty neljä levyä, mutta pino voi käsittää useampiakin levyjä riippuen tarvittavasta suodatinpinta-alasta; 20 pino on suljettu kotelon sisään, jota ei ole esitetty kuviossa. Kotelossa ylläpidetään suodatettavan paineenalaisen seoksen virtausta. Levyt käsittävät huokoisen keraamisen tukirungon 3, •' j oka on muodostettu esim. alumiinioksidista j a jonka huokosten koko on verrattain suuri, esim. > 1 pm, ja tukirungon pintaan on muodostettu keraaminen suodatinmembraani 4.

; Membraani on muodostettu esim. titaani- tai zirkoniumoksidista. Levyjen keskiaukot 2 25 muodostavat permeaattikanavan 6; esitetyssä suoritusmuodossa sen sisään on sijoitettu rei'ite- . , tty putki 5. Levyjen vastakkain olevien etupintojen liitoskohdat on tiivistetty O-renkailla 7.

• *

Suodatusprosessin aikana membraanin 4 huokosten kokoa pienemmät kappaleet, kuten esim.

’ - ’ vesimolekyylit ultrasuodatuksessa, läpäisevät membraanin paine-eron vaikutuksesta ja 30 kulkeutuvat huokoisen tukirungon läpi permeaattikammioon, ja poistuvat päätykappaleiden ; * kautta.

:. · Kuviossa 3 on esitetty poikittaisvirtaussuodatusjäijestelmän kaaviokuva. Suodatettava materi- : aali tulee sisään syöttöjohdon 15 kautta pumpun 16 avulla. Pumppu 17 palvelee 35 suodatuspiiriä, jossa seos pumpataan suodatinyksikön 18 poikki. Suodatinyksikkö 18 voi olla \ 5 114617 rakenteeltaan minkä tahansa sopivan tyyppinen, esim. edellä mainittu levypakka- tai putki- tai putkiryhmätyyppinen. Osa kiertävästä nesteestä tunkeutuu suodatuselementtien huokosten läpi muodostaen permeaatin, joka poistuu putken 19 tai vaihtoehtoisesti rejektiputken 20 kautta. Jäljellejääneen materiaaliin pitoisuuden pitämiseksi halutulla tasolla jäämävirtaa 5 poistetaan putken 21 kautta, samalla kun tasapaino säilyy suodatuspiirissä 22.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen suodatusyksikön suodatinlevyä vastaavasti nähtynä kuin kuviossa 1 esitetty tekniikan tason levy. Levyn keskivyöhykkeelle on muodostettu tiivistetty pinnan alue 8. Tälle alueelle on jäljestetty kaksi samankeskistä, halkaisijaltaan erikokoista ΟΙ 0 rengastiivistettä 9,10, ja lisäksi on muodostettu pinnoiltaan tiivistetty aukko 11. Kuvio 5 esittää leikkauskuvaa kuviota 2 vastaavasti nähtynä. Aukkojen 11 läpi muodostuu olennaisesti paineeton, yhtenäinen tila 12, joka ympäröi permeaattikanavaa ja jota tiivistepinnat ja levyjen tiivistetyt pinta-alueet rajoittavat. Tila 12 on yhteydessä ulkotilaan. Permeaatti, joka on tunkeutunut membraanin läpi huokoiseen kantajarunkoon, ei voi tunkeutua tiivistetyn pinnan 15 läpi tilaan 12, vaan voi ainoastaan päästä permeaattikanavaan, koska keskiaukkojen seinämiä ei ole tiivistetty. Jos tiivisteeseen 9 syntyy vuoto, läpivuotava neste virtaa tilaan 12 ja siitä ulos, ilmaisten näin vuodon olemassaolon. Koska permeaattikanavassakin on korkeampi paine kuin tilassa 12, myös sisemmässä tiivisteessä 10 esiintyvät vuodot paljastuvat, mutta syöttöseoksen pääsy permeaattikanavaan on täysin estetty. Tila 12 on yhdistetty ulkopuolelle 20 esim. suodatinkotelon läpi kulkevan putken välityksellä.

Esitetyt levyt ovat ympyränmuotoisia, mutta muitakin muotoja voidaan käyttää. Esimerkiksi segmentit 13,14 voidaan leikata pois, kuten kuvioissa 1 ja 5 on esitetty.

25 Visuaalisen havainnoinnin lisäksi tai sen sijaan voidaan jäljestää automaattinen vuodonilmai-su. Esimerkiksi välitiloihin 12 tai niitä vastaaviin poistokanaviin voidaan jäljestää kosteusantureita, kuten kuviossa 3 on esitetty kaaviomaisesti viitenumerolla 23.

Claims

114617

1. Keraaminen poikittaisvirtausmembraanisuodatusyksikkö, joka käsittää yhden tai 5 useamman levynmuotoisen, aukolla (2) varustetun suodatuselementin (1), jotka elementit on yhdistetty toisiinsa ja koteloon, jolloin mainittu aukko muodostaa tiiviin yhtenäisen kanavan permeaatin poistoa varten, j a elementtien ulkopinta on olennaisesti vapaa vastaanottamaan suodatettavaa materiaalia, tunnettu siitä, että levynmuotoi-set elementit on sovitettu toisiinsa ja koteloon ainakin kahden samankeskisen ja hal- 10 kaisijaltaan erikokoisen tiivisterenkaan (9,10) avulla, ja että elementtien keski- vyöhykkeet (8) ovat läpäisemättömät niin, että muodostuu tiivisterenkaiden ja läpäisemättömien pintojen rajoittamia välitiloja (12), ja että nämä välitilat on yhdistetty toisiinsa elementeissä olevien aukkojen (11) välityksellä, joissa aukoissa on läpäisemättömät pinnat. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen membraanisuodatusyksikkö, tunnettu siitä, että välitilat on yhdistetty suodatusyksikön ulkopuolelle.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen membraanisuodatusyksikkö, tunnettu siitä, 2. että se on varustettu anturilla, joka ilmaisee välitilaan tapahtuvan nestevuodon. i ( t I

4. Menetelmä keraamisen poikittaisvirtausmembraanisuodatusyksikön tiivistämiseksi, * * · ; t jossa suodatusyksikössä on kotelon sisällä yksi tai useampi levymäinen suodatusele- •': : mentti (1), jotka elementit on osittain päällystetty suodatusmembraanilla (4), tunnettu t < » * * 2. siitä, että elementtien väliset seka elementtien ja kotelon väliset liitoskohdat tiiviste-, ’ · tään ainakin kahdella samankeskisellä ja halkaisijaltaan erikokoisella tiivisterenkaalla V ·’ (9,10), joiden väliin muodostuu tila (11,12), joka on yhdistetty suodatusyksikön ulkopuolelle. . ’ ”. 3 0

5. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen suodatusyksikön tai patenttivaatimuksen 4 mukai- , ·, sen menetelmän käyttö veden suodatuksessa, edullisesti veden ultrasuodatuksessa. » »» 114617