DE2603505C3 - Flachmembranmodul für umgekehrte Osmose und Ultrafiltration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flachmembranmodul für umgekehrte Osmose und Ultrafiltration gemäß Patentanspruch 1.

Die Ansprüche 2-12 beinhalten Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Membrantechnologie hat seit der Entdeckung von druckstabilen Membranen als neues Verfahren eine ständig wachsende Bedeutung bekommen. Der Einbau der Membranen in Geräte wird in unterschiedlichster Weise durchgefühlt, indem die Formgebung von Membran und die Strömungsführung variiert werden. Zum Einsatz kommen Rohrmnduln, Spiralmoduln, Hohlfasermoduln und Flachmembranmoduln. Nachteilig bei den meisten Modularten ist bisher der entweder unhandliche oder, wirtschaftlich gesehen, teure Austausch der Membran.

Im Hinblick auf einen einfachen und billigen Membranaiistausch haben sich Flachmembranmoduln als günstig erwiesen, da bei Schadhaftwerden einer Mcm-

bran die die Membran tragende poröse Platte lediglich mit einer neuen Membran belegt zu werden braucht, ohne daß auch der Trägerkörper ausgewechselt werden muß. Infolge des inneren der porösen Platte gerichteten Druckgefälles legt die Membran sich von selbst an die Plattenoberfläche an. Ein Nachteil von Flachmembranmoduln ist der gegenüber anderen Modularten relativ große Raumbedarf bei gegebener Filterfläche. Flachmembranmoduln sind meist so aufgebaut, daß die einzelnen membranüberzogenep. Platten stapelartig in gewissem, gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Die Ausgangsflüssigkeit bzw. das Retentat strömt dabei üblicherweise von einer Seite des Moduls zwischen zwei benachbarten Platten in Richtung auf die gegenüberliegende Modulseite, treten dort durch eine entsprechende Öffnung in den sich anschließenden Zwischenraum über und strömen hier in entgegengesetzter Richtung wieder zur ersten Modulseite zurück.

Für einen optimalen Membranaustausch ist es aber erforderlich, daß die Flüssigkeit in turbulenter Strömung überall mit gleicher Geschwindigkeit über die Membranoberfläche hinwegströmt. Bei einem zylindrischen Modul ist diese Voraussetzung infülge der starken Erweiterung und Verengung eines als Kreisscheibe ausgebildeten Strömungskanals, der in Richtung eines Durchmessers durchflossen wird, nicht ohne weiteres gegeben.

Bekannte Modulausführungen verwenden daher jeweils zwischen den porösen Platten zusätzlich angeordnete Leitplatten mit beispielsweise reliefartig eingearbeiteten Führungskanälen, welche eine solche Zwangsführung der Strömung bewirken sollen, daß alle Membranstellen mit möglichst gleicher Geschwindigkeit überströmt werden. Eine solche Ausführung ist kompliziert und teuer und erhöht den bei Flachmembranmoduln bereits nachteilig hohen spezifischen Raumbedarf noch mehr.

Aus der CH-PS 542639 ist es bekannt, die porösen Platten selbst mit strömungsleitenden Oberflächenprofilen auszubilden, über welche eine doppellagige Membran gelegt wird, die sich unter dem herrschenden Druckgefälle der profilierten Oberfläche anpassen soll.

Diese bekannten Ausführungen weisen erhebliche Nachteile auf. Das für die porösen Platten allgemein verwendete Kunststoffmaterial ist nur für begrenzte Drücke zu verwenden. Wird ein bestimmtes Druckniveau überschritten, so tritt infolge des Druckgefälles zwischen dem Plattenzwischenraum und dem Inneren der Platten eine Verdichtung des porösen Plattenmaterials ein, die sich nachteilig auf die Permeatleistung auswirkt. Besonders störend ist dieser Effekt bei der Abtrennung kleinerer Moleküle und bei der Hyperfiltration, wo mit hohen Drücken gearbeitet werden muß.

Weiterhin hat sich herausgestellt, daß bei den bekannten Vorrichtungen sowohl bei Verwendung getrennter Strömungsplatten als auch bei Leitprofilen, die in die Oberfläche der porösen Platten eingearbeitet sind, keine gleichmäßig turbulente Überströmung der Membranflächen erzielt wird.

Bei porösen Platten mit eingearbeiteten Oberflächenprofilen ergibt sich zusätzlich die Schwierigkeit, daß die semipermeablen Membranen, die meist aus polymeren Materialien wie etwa Celluloseazctat oder Polyamid bestehen, beim dichten Anschmiegen an die Oberflächenprofile örtlich gedehnt und stark mecha

nisch beansprucht werden,

Ziel der Erfindung ist daher ein Flachmembranmodul ohne die erwähnten Nachteile, dessen poröse Membranträger formstabil und hochdruckfest sind, dessen Raumbedarf durch Vermeidung von zusätzlichen strömungsleitenden Einbauten gering gehalten werden kann, und dessen Membran nicht örtlich gedehnt oder überbeansprucht werden.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht (vgl. Patentanspruch 1).

Der Porendurchmesser der erfindungsgemäß verwendeten Materialien kann zwischen 1 μΐη und 1000 μπι liegen. Die porösen Sammelplatten mit im wesentlichen glatten Oberflächen zu versehen, entspricht nicht nur der strömungstechnischen Gestaltung des erfindungsgemäßen Flachmembranmoduls, sondern bietet auch erhebliche fertigungstechnische Vorteile, insbesondere in Verbindung mit den verwendeten harten Werkstoffen.

Die Verwendung von Frittenplatten, insbesondere solchen aus Glas, bietet insgesamt f· 'gende Vorteile:

- Geringe Einbaustärke, dadurch gu'e Raumnuizu ng

- Druck- und Formstabilität

- Temperaturbeständigkeit, daher Sterilisierungsmöjvichkeit

- Weitgehende chemische Neutralität

- Mikrobiologische Resistenz

- Weitgehende Wahlmöglichkeit der Porosität zur Beeinflussung des Druckabfalls innerhalb der Platten

- Verwendbarkeit der Platten als direkte Unterlage bei der Herstellung der Membranfolien.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform von Flachmembranmoduln werden elliptische oder kreisförmige Sammelplatten verwendet, welche in der Nähe ihres Randes eine Durchtrittsöffnung für die Flüssigkeit von einem Plattenzwischenraum in den nächstfolgenden aufweisen. Die Durchtritt^öffnungen aufeinanderfolgender Platten liegen sich normalerweise abwechselnd diametral gegenüber, so daß die Flüssigkeit in dem Zwischenraum zwischen zwei Platten von einer Modulseite zur anderen strömt.

Eine Voraussetzung für überall gleiche Ström ungsgeschwindigkeit ist die Bedingung, daß der Strömungskanal senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung im wesentlichen überall gleich große Querschnittsflächen aufweist. Wegen der starken Verbreiterung eines Strömungskanals mit kreisförmiger oder elliptischer Grundfläche ist dessen Höhe am mittleren Bereich durch einen erfindungsgemäß kleineren Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammclplatten so verringert, dpß sich überall eine gleiche Qucrs"iir.ittsfläche ergibt. Diese Bedingung ist für eine überall gleiche Strömungsgeschwindigkeit jedoch noch nicht ausreichend, da der Strömungsweg und damit auch der Strömungswiderstand von der Plattenmitte zum Plattenumfang hin zunimmt. Dieser Unterschied wird erfindungsgemäß dadurch kompensiert, da sich die Höhe des Strömungskanals auch quer zur Strömungsriwhtung von der Plattenmitte zum Plattenrand hin vergrößert. Das bedeutet, daß der Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammclplatten erfindungsgemäß so ausgebildet ist, daß seine Höhe von der Modulmittc zum Umfang hin in allen Richtungen zunimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß zwei einander zugewandte Plattenoberflächen entweder beide konvex, eine eben und die andere konvex.

oder eine konkav und die andere konvex ausgebildet sind, wobei im letzteren Fall «.lie konvexe Krümmung jedoch stiirkcr als die konkave sein muß.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß beide einander zugewandten Plattcnoberflächcn in gleicher Weise konvex ausgebildet sind, so daß jede Platte ihrerseits zwei gleiche konvexe Oberflachen besitzt. Diese Formgebung ist allein schon aus Gründen der gleichmäßigen Druckverteilung zweckmäßig.

Um so weitgehend wie möglich eine überall gleiche Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen, sind clic Krümmungen der Plattenoberflächen sowie der Abstand der Platten voneinander so ausgeführt, daß in dem zwischen zwei Platten gebildeten Strömungskanal das Verhältnis von Strömungslänge zu hydraulischem Durchmesser überall konstant ist. Der »hydraulische Durchmesser« ist erläutert in Prandtl. »Strömungslehre«. (S. Auflage. S. 223. 1965.

Die Krümmung eier Fritten zur Ausbildung des optimalen Strömungsverhaltens läßt sich für den jeweiligen Anwendungsfall ermitteln, wobei eine optimale gleichmäßige Strömung nur bei turbulentem Strömungsverhalten erreicht wird. Hierdurch sverden Ablagerungen auf der Membran vermieden; (bei laminarer Strömung ist die Strömungsgeschwindigkeit auf der Membranoberfläche nahe Null, so daß die Membran sehr schnell zugesetzt wird). Um gleichzeitig einen möglichst geringen Druckabfall zu erhalten, sollte zweckmäßig mit einer Reynoldschen Zahl von 3000 gearbeitet werden.

Bei einer optimalen Reynoldschen Zahl von 3000 muß auf der gesamten Platte dieselbe lineare Geschwindigkeit herrschen, ti. h. der Druckabfall ist im wesentlichen eine Funktion der Länge des Strömungsweges und des hydraulischen Radius, wobei wegen der turbulenten Strömung die zu berücksichtigende 4. Wurzel aus der Reynoldschen Zahl durch die Festlegung auf Rc = 3000 einen weiteren konstanten Faktor darstellt. Da die Länge des Strömungsweges in radialer Richtung zunimmt, muß der hydraulische Radius ebenfalls größer werden, um zu einem kon-

Die einzustellende lineare Geschwindigkeit richtet sich nach der Viskosität und läßt sich durch das Bypass-Ventil regeln.

Die exakte Formgebung hängt von verschiedenen Konstruktionsparametern wie z. B. der genauen Lage der Flüssigkeitsein- und -austrittsöffnungen ab und kann nur für den Einzelfall genau errechnet werden, wobei im Idcalfall auch der Flüssigkeitsabgang durch die Membran zu berücksichtigen ist.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Flachmembranmoduls werden an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindunesgemäßen ί laehmembranmodul.

Fig. 2 die perspektivische Ansicht einer in dei Mitte geschnittenen, erfindungsgemäßen poröser Sammelplatte.

■' Fig. 3 einen Schnitt durch die Kundeinfassung einer Sammelplattc,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dich tung einer Plattcndurchtrittsöffnung.

Der Strömungsverlauf ergibt sich aus Fig. I. Dit

ι» durchströmende Flüssigkeit bildet sich selber einer Kanal (9) und wird aufgrund ilcr Obcrflachcngcomc trie tier Platte (1) von der Eintrittsöffnung (18) zu: Austrittsöffnung (19) gleichmäßig aufgrund tier unterschiedlichen Höhe (20, 20a, 20/)) und der unter-

i) schiedlichen Länge der Strömungswege über dit Oberfläche transportiert. Um einen Druckabfall be höherer Anzahl hintcreinandcrgeschaltcter Platten zi vermeiden, wird teilweise eine dieser Platten durcl· eine Anströmungspiaiie (10) ersei/.i. Diese ucMi/.i

:ii keine Durchbohrung. Zur Zu- und Ableitung wird jeweils in Jie Randabdichtung (6) eine Zu- bzw. Abführung (11). (12) eingepaßt, die insgesamt an ein Zu-(13) bzw. Ableitungsrohr (14) angeschlossen sind Zur Regulierung der Strömungsgcschv. indigkeit übei

:"> dem Modul sind die Zu- und Ableitungen über eir Ventil (17) verbunden, das als By-pass-Vcntil fungiert. Zur Vereinfachung des Systems können die Zu- und Ab»r.itungsrohre (13), (14) auch zur Ausrichtung des Moduls benutzt werden. Der gesamte Plattensta-

in pel wird in der von Filterpressen her bekannten Ar zusammengedrückt, wobei die jeweiligen Endplatter (15) nur einseitig gekrümmt sind und aus Vollgas bestehen können. Die Druckübertragung erfolgt durcr Metallplatten (16).

p. Fig. 2: Die Platte (1) besteht aus hochdruckfesterr porösem Material vorzugsweise Glas, das entsprechend zur Erreichung einer gleichmäßigen Strömungsverteilung konvex geformt ist. Die Oberfläche ist dabei blank poliert, so daß keine Verletzung dei

4D Membran entsteht.

An einer Seite ist die Platte durchbohrt. In die BoIv riino wirr! 7ur Fixierung der Membran und. um eir Durchmischen des Permeats mit dem Retentat zu ver meiden, eine Metallhülse (2) gesteckt, an derer

j) beiden Enden Dichtungsringe (3) fixiert sind, tlit außerdem Durchbrüche (4) haben können (s. auch Fig. 4).

Die Membran (5) wird beidseitig auf die Trägerplatte fixiert und am Rand mit einer schließender

κι Kunststoffdichtung (6) umgeben, die außerdem al? Sammelkanal (21) für das Permeat benutzt wiru wire (s. auch Fig. 3). Der Sammelkanal (21) kann auch aus Metall geformt sein, wobei die Kunststoffdichtungen (7) auf das U-förmige Profil aufgeschoben sind

-,5 In dem Sammelkanal befindet sich einseitig ein Abiaul für das Permeat (8).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Flachmembranmodul für umgekehrte Osmose und Ultrafiltration, mit einer Anzahl in gegenseitigem Abstand voneinander angeordneten, beidseitig membranüberzogenen, porösen Sammelplatten, mit Zwischenräumen zwischen den Platten, die druckdicht abgeschlossen sind, mit Ableitungen für das in die porösen Sammelplatten hindurchgetretene Permeat, wobei

a) die Sammelplatten im wesentlichen glatte Oberflächen besitzen,

b) aus einem anorganischen, chemisch neutralen und hochdruckfesten Material gefertigt sind,

c) die Sammclplatten kreisförmig oder elliptisch sind, und

d) Flüssigkeitsein- und -austrittsöffnungen in der Nähe des Plattenrandes angeordnet sind und sieb

e) in Richtung eines Plattendurchmessers wechselweise diametral gegenüberliegen,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) daß die Höhe des Zwischenraumes (9) zwischen zwei Sammelplatten von der Plattenmitte (2On) zum Plattenrarid (20b) hin in jeder Richtung zunimmt, wobei

g) der Querschnitt des Zwischenraumes (9) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammelplatten (1, 10) senkrecht zur mittleren Strömung^richtung an jeder Stelle zwischen Flüssigkeilseintrittsöffnun.; (18) und Flüssigkeitsaustrittsöffnung (19) im wesentlichen das gleiche Flächenmaß bfitzt.

2. Flachmembranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der porösen Sammelplattcn (1, 10) Durchmesser zwischen 1 μπι und 1000 μπι aufweisen.

3. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (5) auf den Oberflächen der Sammelplattcn (1, 10) gebildet sind und mit diesen eine zusammenhängende Einheit darstellen.

4. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammclplatten (1,10) konvex gekrümmt sind.

5. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammelpla'.ten die eine eben und die andere konvex gekrümmt ist.

6. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammelplatten die eine konvex und die andere konkav gekrümmt ist, wobei die konvexe Krümmung stärker als die konkave ist.

7. Flachmembranmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammclplatten (1) in ihrer Krümmung so ausgebildet sind, daß für den durch sie begrenzten Zwischenraum (9) zwischen der Flüssigkeitscintrittsöffnung (18) und der Flüssigkcitsaustrittsöffnung (19) das Verhältnis von Strömiingslänge /u hydraulischem Durchmesser

konstant ist,

8, Flachmembranmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der porösen Sammelplatten (1, 10) mit

"> Reifen (6) von etwa U-förmigem Querschnitt umgeben sind, dessen Schenkel mit wulstartigen Dichtungen (7) versehen sind, die einerseits an der Plattenoberfläche und andererseits zur Abdichtung des Zwischenraumes (9) zwischen zwei Sam-I» melplatten (1, 10) an der entsprechenden Dichtung (7) der nächstfolgenden Sammelplatte (1,10) anliegen.

9. Flachmembranmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem

ι > Rand der Sammelplatte (1, 10) und dem Reifen (6) ein ringförmiger Kanal (21) zum Aufnehmen des aus der Sammelplatte (1, 10) austretenden Permeats befindet, und daß dieser Kanal (21) mit einer durch den Reifen (6) hindurchführenden

2" Permeatableitung (8) versehen ist.

K). Flachmembranmodul nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flüssigkeitseintrittsöffnung (IS) bzw. Flüssigkeitsaustrittsöffnung (19) im Falle des Flüssig-

y> keitsübertritts von einem Zwischenraum (9) in den nächstfolgenden Zwischenraum (9) aus einer in der diese Zwischenräume trennenden Sammelplatte (1) angeordneten Bohrung besteht, durch welche eine Metall- oder Kunststoffhülse (2) geführt ist, deren umgebördelte Enden je mit einer wulstartigen Dichtung (3) versehen sind, durch welche die um die Bohrung verlaufende Membrankante abdichtend gegen die Oberfläche der Sammelplatte (1) gedrückt wird.

r> 11. Flachmembranmodul nach Anspruch K),

dadurch gekennzeichnet, daß je nach gewünschter Durchströmfolge eine oder mehrere Sammelplatten (10) sowie Zu- und Ableitungen (11, 12) angeordnet sind.

κι 12. Flachmembranmodul nach dnem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die letzte Sammelplatte (15) zur Druckentlastung an ihrer λ ■ •(',enseite mit einer dicht anliegenden Stutzplatte (16) hinterlegt sind.