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DE3781628T2 - Verfahren und vorrichtung zum filtrieren. - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum filtrieren.

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DE3781628T2
DE3781628T2 DE8787306697T DE3781628T DE3781628T2 DE 3781628 T2 DE3781628 T2 DE 3781628T2 DE 8787306697 T DE8787306697 T DE 8787306697T DE 3781628 T DE3781628 T DE 3781628T DE 3781628 T2 DE3781628 T2 DE 3781628T2
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James Howden and Co Ltd
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Filtrieren.
  • Fest-flüssig-Trennung und die Technologie zum Konzentrieren spielen in der Industrie eine wichtige Rolle, vor allem beim Behandeln feiner Partikel und Kolloide aus verdünnten Suspensionen. Chemische Prozesse, die Volumen flüssiger, feste oder zellige Suspensionen enthaltender, Gemisch filtrieren, leiden stark unter Verstopfung und Kolloidverschmutzung des Filtermediums. Zum Beispiel ist ein wichtiger Faktor, der zum erfolgreichen Betrieb jeder Anlage mit umgekehrter Osmose beiträgt, die Qualität der Vorbehandlung des zugeführten Gutes. Die umgekehrte Osmose verlangt, daß man einen sauberen Wasserstrom zur Membranoberfläche hat. Ist dies nicht der Fall, verschmutzt die Membran sehr schnell, was zu einem Verlust im Wasserfluß führt und eine komplette Erneuerung der Membran erfordert. Andere Gebiete, in denen diese Technologie eine wichtige Rolle spielt, sind biotechnologische Nachbehandlungsprozesse, die Nahrungsmittel- und Getränkeherstellung, die Erzeugung hochreinen Wassers für die Halbleiterindustrie, die Produktion von Kesselspeisewasser und das Druckwasser-Fluten zur Sekundärgewinnung auf Off-Shore-Ölplattformen. Bei einem sehr großen Teil chemischer Prozesse besteht die Notwendigkeit, Feststoffe, die im Prozeß verwendet wurden oder während des Prozesses entstehen, von der gewünschten Flüssigkeit abzufiltrieren, die selbst von höchster Reinheit sein muß. Ähnlich ist es in der Getränkeindustrie sehr oft von äußerster Wichtigkeit, irgendwelche Feststoffe, insbesondere Hefe, zu entfernen, um ein Getränk höchster Qualität zu erhalten. Die vorliegende Erfindung zielt auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtrieren, wobei dieser Ausdruck hier so verwendet wird, daß er auch Klären und Verfeinern umfaßt.
  • Bestehende Prozesse leiden unter eine Anzahl von Nachteilen, vor allem beim Entfernen der gefilterten Feststoffe oder des Filterkuchens vom Filtermedium, und solange dies nicht zufriedenstellend ausgeführt werden kann, ist es nicht möglich, eine Filtrierung von hoher Qualität zu erreichen.
  • US-4.350.590 bezieht sich auf ein Filtrierverfahren, in dem ein Filtrierraum während des Filtrierens durch den Fluß des zu filtrierenden Fluids komprimiert und beim Rückspülen durch den Fluß von Rückspülfluid expandiert wird.
  • Gemäß der Erfindung wird nun vorgeschlagen, eine Filtriervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine Kammer umfaßt, welche einen Einlaß und einen Filtratauslaß, einen durchbrochenen Boden, einen durchbrochenen, von dem Boden beabstandeten Kolben, wobei sich der Boden und der Kolben zwischen dem Einlaß und dem Auslaß quer durch die Kammer erstrecken, eine Masse von Fasern, die den Raum zwischen dem Boden und dem Kolben ausfüllen, sowie Mittel zum Bewirken einer Rückspülung von Fluid durch den Raum in einer im wesentlichen von dem Boden oder Kolben (je nachdem, welcher näher beim Auslaß ist) wegführenden und zum Einlaß hinführenden Richtung aufweist, und durch äußere Mittel zum zwangsläufigen Bewegen des Kolbens von dem Boden weg und auf diesen zu gekennzeichnet ist, um die Größe dieses Raums während des Rückspülens zu vergrößern und zu verkleinern.
  • Die Vorrichtung gemäß der Erfindung macht zum Ausführen der Filtrieroperation Gebrauch von einer Masse von Fasern, und diese können durch den Kolben sehr eng in der Kammer verdichtet werden, so daß Feststoffe mit sehr kleiner Partikelgröße herausgefiltert werden können. Dies würde jedoch normalerweise Schwierigkeiten beim Entfernen dieser Feststoffe ergeben, wenn es nötig ist, den Filter zu reinigen. Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Beseitigung dieses Problems, weil der Kolben von dem Boden wegbewegt werden kann, um die Größe des Raumes dazwischen zu vergrößern und zu verkleinern, und dadurch die Fasern der Masse voneinander zu trennen, so daß sie sich relativ zueinander frei bewegen können und dadurch das Rückspülfluid die Feststoffe mitnehmen kann, die durch die Fasermasse herausgefiltert worden sind. Der Effekt wird verstärkt, wenn der Raum zwischen dem Boden und dem Kolben nacheinander mehrmals verkleinert und dann vergrößert wird.
  • Die Fasern sind vorzugsweise elektrisch leitende Fasern, und eine besonders geeignete Form solcher Fasern sind Kohlenstoffasern. Der Gebrauch einer elektrisch leitenden Faser, speziell einer Kohlenstoffaser, ermöglicht, einen Vorteil daraus zu ziehen, wenn man an dem Kolben und dem Boden Elektroden anbringt und ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden anlegt, so daß in dem Raum und damit in der Fasermasse ein elektrisches Feld aufgebaut wird. Man hat herausgefunden, daß dies einen noch besseren Filtereffekt ergibt. Man glaubt, daß dies so ist, weil Ionen von den elektrisch leitenden Fasern angezogen werden, die wegen des entlang ihnen verlaufenden elektrischen Feldes leicht geladen sind. Die Polarität kann passend zum filtrierten Material gewählt werden.
  • Während des Rückspülvorgangs ist es von Vorteil, wenn die Polarität umgekehrt wird, wodurch die festen Partikel freigesetzt werden, die von den elektrisch leitenden Kohlenstoffasern angezogen worden waren.
  • Die tatsächliche Ausführung der Vorrichtung kann viele Formen annehmen. Zum Beispiel kann der Kolben entweder linear oder schwenkbar hin- und herbeweglich sein, zum Beispiel in einer halbkreis- oder kreissegmentförmigen Kammer, der linar hin- und herbewegliche Kolben wird aber vorgezogen, und seine Bewegung kann zum Beispiel durch eine pneumatische Kolben-/Zylinder-Anordnung hervorgerufen werden.
  • Man erkennt, daß das zu filtrierende Fluid während seiner Vorwärtsbewegung zuerst durch die Durchbrüche in entweder dem Kolben oder dem Boden tritt, je nachdem, was in der Strömungsrichtung zuerst kommt, dann durch das aus der Fasermasse geformte Filterbett, und dann durch das andere der durchbrochenen Teile Boden und Kolben.
  • Während des Rückspülzyklus wird ein Strom von Rückspülfluid dazu gebracht, sich im wesentlichen weg von dem Boden oder Kolben, je nachdem, was näher zum Filtratauslaß liegt, und zum Einlaß hin zu bewegen. Dieser Strom kann ganz oder nur teilweise in die Kammer geleitet werden, indem er von der dem Raum abgewandten Seite her durch den Boden oder den Kolben (je nachdem, was näher zum Filtratauslaß liegt) tritt. Dies stellt sicher, daß keine der von der Fasermasse freigesetzten festen Partikel die Filtratauslaßseite der Kammer kontaminieren. Es kann jedoch ein Teil der Rückspülflüssigkeit in einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufenden Richtung in die Kammer geleitet werden, entweder innerhalb der Fasermasse, oder von außerhalb der Fasermasse in dem Raum. Somit kann der Kolben mit einer Kolbenstange versehen sein, die sich durch den Raum erstreckt, und diese kann mit einem innenliegenden Kanal versehen sein, um Rückspülfluid nach außen durch Öffnungen in der Kolbenstange einzuleiten. Wahlweise, oder zusätzlich, können in der Wand der Kammer Mittel zum seitlichen Einleiten von Rückspülfluid in den Raum durch diese Wände vorgesehen sein.
  • Vorteilhaft wird an den Einlaß angrenzend ein Rückspülauslaß zum Ausstoß der während des Rückspülens aus den Fasern entfernten Feststoffe vorgesehen.
  • Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Filtrieren, umfassend das Fördern einer zu filtrierenden Flüssigkeit durch eine Masse faserigen Materials in einer Vorwärtsrichtung und, von Zeit zu Zeit, das Säubern der Masse faserigen Materials durch abwechselndes Expandieren und Komprimieren desselben, während gleichzeitig ein sauberes Rückspülfluid durch die Masse faserigen Materials geleitet wird.
  • Wie erläutert, kann die verwendete faserige Masse aus elektrisch leitenden Fasern, wie Kohlenstoffasern, bestehen, ein elektrisches Potential an die faserige Masse angelegt werden, und dessen Polarität während des Rückspülens umgekehrt werden.
  • Es wird außerdem erwogen, daß sterilisierende und/oder reinigende Chemikalien in dem Fluid für den umgekehrten Fluß enthalten sein können, um das Faserbett und die es enthaltende Kammer zu sterilisieren und/oder zu reinigen. Wahlweise, oder zusätzlich, kann Dampf von geeignetem Druck und/oder Temperatur in dem Fluid für den umgekehrten Fluß enthalten sein, um eine Sterilisation des Faserbettes und der es enthaltenden Kammer zu bewirken.
  • Weiter wird erwogen, daß Ionenaustauschpartikel oder lösungsentfärbende Partikel, wie Aktivkohlepartikel, in der faserigen Masse enthalten sein können, oder sogar in einem separaten Raum stromauf- oder -abwärts von der faserigen Masse. Diese oder andere Partikel können dazu genutzt werden, das Filtrat zu entfärben und, wenn gewünscht, können Chemikalien in dem rückwärts fließenden Rückspülfluid enthalten sein, um die Ionenaustausch- oder Entfärbungspartikel zu regenerieren, wo auch immer letztere plaziert sind.
  • Damit die Erfindung besser verstanden werden kann, wird die folgende, als Beispiel dienende Beschreibung gegeben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, in der die einzige Figur eine schematische Seitenansicht im Schnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
  • Die gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Kammer 10, die in Form eines sich vertikal erstreckenden Zylinders 25 gezeigt ist, der an seinem oberen Ende mit einem Deckel 12 und an seinem unteren Ende mit einem festen, durchbrochenen Boden 14 versehen ist, der Durchbrüche 15 aufweist. Unterhalb des durchbrochenen Bodens 14 erstreckt sich ein Filtratauslaß 16. Der Deckel 12 ist mit einem Einlaß 10 für das zu filtrierende Fluid und einem zweiten Auslaß 20 zum Ausstoß von, wie später erklärt werden wird, aus dem Filter gewaschenen Feststoffen versehen.
  • In dem Deckel 12 axial verschieblich und mit geeigneten (nicht gezeigten) Dichtungen versehen, ist eine sich vertikal erstreckende Kolbenstange 22, die mit einer pneumatischen Kolben-/Zylinder-Anordnung 24 verbunden ist, um von dieser vertikal hin- und herbewegt zu werden. Auf der Kolbenstange 22 ist ein durchbrochener Kolben 26 montiert, in dem man Durchbrüche 27 erkennen kann. Der Kolben trägt eine obere durchbrochene Elektrode 28, deren Durchbrüche mit den Durchbrüchen 27 übereinstimmen. Ähnlich ist eine untere durchbrochene Elektrode 30 auf dem Boden montiert, und ihre Durchbrüche stimmen mit den Durchbrüchen 15 des Bodens 14 überein.
  • Eine Filtermasse in Form eines dicken Bausches von Kohlenstoffasern wird durch das gemeinsame Bezugszeichen 34 bezeichnet und von der Kammer zwischen dem durchbrochenen Boden 14 und dem durchbrochenen Kolben 26 aufgenommen.
  • Pneumatische oder hydraulische, mit der pneumatischen oder hydraulischen Kolben-/Zylinder-Anordnung 24 verbundene Leitungen 36 werden gezeigt.
  • In den Filtratauslaß 16 erstreckt sich nach oben ein Hauptrückspülversorgungsrohr 38. Mit strichpunktierten Linien ist in der Zeichnung eine Kolbenstangenverlängerung 40 gezeigt, die mit mehreren Öffnungen 42 versehen ist. Der Kolben ist über einen Schlauch 43 mit einer Quelle für sauberes Rückspülfluid verbunden gezeigt. Ähnlich kann die Wand der Kammer mit von einer Sammelleitung 45 umgebenen Rückspülversorgungsöffnungen 44 versehen sein, die aus einem später zu erklärenden Grund auf ähnliche Weise über einen Schlauch 48 mit der Rückspülfluidquelle 47 verbunden ist. Luft- oder Gasversorgungsröhren 38A, 43A, 48A können parallel zur Quelle für Rückspülfluid mit einer Quelle 49 für Luft oder Gas verbunden sein. Obwohl drei Luft- oder Gasversorgungsleitungen gezeigt sind, würde normalerweise nur eine solche Leitung vorgesehen werden. Als Alternative kann Luft oder Gas dazu gebracht werden, in den Strom des Rückspülfluids weiter stromaufwärts in der Versorgungsleitung für dieses Fluid einzuströmen.
  • Im Betrieb wird die pneumatische Kolben-/Zylinder-Anordnung 24 betätigt, so daß die Kolbenstange 22 nach unten gezwungen wird, wodurch der durchbrochene Kolben 26 die Kohlenstoffasermasse 34 dicht gegen den Boden preßt. Zu filtrierendes Fluid wird durch den Einlaß 18 zugeführt und strömt nach unten durch die Kammer 10 durch die Durchbrüche 27 im Kolben 26 und seiner zugeordneten oberen Elektrode 28, und dann durch die Kohlenstoffasermasse 34. Das Filtrat tritt durch die Durchbrüche 15 in dem durchbrochenen Boden 14 und seiner zugeordneten unteren Elektrode 30, um durch den Filtratauslaß 16 ausgestoßen zu werden. Während dieses Vorgangs kann, falls gewünscht, ein elektrisches Feld über die Filtermasse 43 erzeugt werden, indem ein elektrisches Potential zwischen die obere Elektrode 28 und die untere Elektrode 30 gelegt wird. Die Polarität davon kann so gewählt werden, daß sie zu dem zu filtrierenden Material paßt, so daß feste Partikel in diesem Fluid von den Kohlenstoffasern angezogen werden.
  • Von Zeit zu Zeit wird es notig sein, den Filter zu reinigen, und dies wird durch Abstellen des Fluidstroms zum Einlaß 18 und anschließendes Betätigen der pneumatischen oder hydraulischen Kolben-/Zylinder-Anordnung 24 erreicht, wodurch der Kolben 26 dazu gebracht wird, sich zu heben und dadurch den Raum 46, in dem sich die Kohlenstoffasermasse 34 befindet, zu vergrößern, das ist der Raum in der Kammer oberhalb des Bodens 14 und unterhalb des Kolbens 26. Dies bringt die Fasern dazu, sich voneinander zu trennen. Während diese Trennung erfolgt, wird sauberes Rückspülfluid durch die Rückspülversorgungsleitung 38 und, falls gewünscht, auch durch die Öffnungen 42 und/oder 44 eingeleitet. Rückspülfluid löst die festen Partikel, die durch die Kohlenstoffasermasse extrahiert wurden, und der Rückspülstrom strömt durch die zweite Öffnung 20 im Deckel nach außen, um entsprechend entsorgt zu werden. Vorteilhaft wird der Kolben 26 während dieser Rückspülung einige Male hin- und herbewegt, um abwechselnd die Größe des Raums 46 zu erweitern und zu reduzieren, so daß die Fasern abwechselnd verdichtet und gelockert werden. Der Hub des Kolbens und die Geschwindigkeit des Hin- und Herbewegens können verändert werden, entweder um zu einem speziellen Filtervorgang zu passen, und/oder während einer speziellen Rückspülung. Gleichzeitig kann das über die Elektroden 23 und 30 erscheinende elektrische Potential entweder entfernt oder umgekehrt werden, oder seine Polarität alternierend gewechselt werden.
  • Es ist wichtig, daß die Rückspülung immer von dem Boden wegführt, aber trotzdem braucht der tatsächliche Strom der Rückspülung nur einen kleinen Teil durch das Hauptrückspülversorgungsrohr umfassen, und, falls gewünscht, kann ein Großteil durch die Öffnungen 42 und/oder 44 zugeführt werden. Es ist auch möglich, während der Rückspülung Luft oder Gas in das Bett einzuspritzen, entweder durch eine der Versorgungsröhren 38A, 43A, 48A, oder durch Mischung mit dem Rückspülfluid früher in der Zuführung erfolgen. Dies verhilft zu einer gleichmäßigeren Ausdehnung des Betts.
  • Es wird erwogen, daß man eine Anzahl anderer Komponenten in die Filtermasse aufnimmt, zum Beispiel Aktivkohlepartikel, die dazu beitragen könnten, ein Filtrat zu verfeinern und zu entfärben, und die Rückspülung kann Chemikalien oder Dampf enthalten, um die Ionenaustauschpartikel und/oder die Fasern in der Masse 34 zu regenerieren oder sterilisieren. Außerdem ist denkbar, einen zweiter Kolben vorzusehen, der auf der einen Seite die Kohlenstoffasern und auf der anderen Seite Kohlenstoffpartikel haben könnte, und daß die Bewegung des zweiten Kolbens unabhängig von oder gleichzeitig mit dem Hauptkolben ausgeführt werden könnte. Dies könnte zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß man eine Verbindung mit totem Gang zwischen einem solchen zweiten Kolben und der Kolbenstangenverlängerung 40 hat, so daß, wenn sich der Kolben 26 zuerst hebt, der zweite Kolben anfänglich ruhen bleiben und sich dann allmählich während des späteren Teils der Bewegung des Kolbens 26 heben könnte. Der Vorgang würde umgekehrt ablaufen, wenn die Kolbenstange abgesenkt wird.
  • Weiter könnte die Vergrößerung und die Verminderung der Größe der Kammer 46 durch Hin- und Herbewegen des Bodens verstärkt werden.
  • Während der Kolben oben und der feste Boden unten gezeigt worden ist, ist die Orientierung ohne große Bedeutung. Ähnlich könnte der Vorgang, obwohl die Anordnung so dargestellt ist, daß das zu filtrierende Fluid zuerst durch den beweglichen Kolben strömt, auch so ablaufen, daß es zuerst durch den festen Boden, dann durch die Filtermasse 34 und zuletzt durch den beweglichen Kolben strömt.
  • Die Kammer könnte wahlweise horizontal angeordnet werden und der Rückspülstrom könnte quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufen.

Claims (14)

1. Filtriervorrichtung, umfassend eine Kammer (10), die einen Einlaß (18) und einen Filtratauslaß (16) hat, einen durchbrochenen Boden (14), einen durchbrochenen Kolben (26), der mit Abstand von dem Boden (14) angeordnet ist, wobei sich der Boden und der Kolben zwischen dem Einlaß (13) und dem Auslaß (16) quer durch die Kammer erstrecken, eine Masse von Fasern (34), die den Raum zwischen dem Boden und dem Kolben ausfüllen, sowie Mittel (38 bis 49) zum Bewirken einer Rückspülung von Fluid durch den Raum in einer im wesentlichen von dem Boden oder Kolben (je nachdem, was näher bei dem Filtratauslaß (16) ist) weg und zum Einlaß (18) hin führenden Richtung, gekennzeichnet durch externe Mittel (24) zum zwangsläufigen Bewegen des Kolbens weg von und hin zu dem Boden, um die Größe des Raumes während des Rückspülens zu vergrößern und zu reduzieren.
2. Filtriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern elektrisch leitende Fasern sind, daß Elektroden (28, 30) auf dem Kolben (26) und dem Boden (14) montiert sind, und daß Mittel zum Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen den Elektroden vorgesehen sind.
3. Filtriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (26) in der Kammer mittels einer pneumatischen oder hydraulischen Kolben-/Zylinder-Anordnung linear hin- und herbeweglich ist.
4. Filtriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (14) auch beweglich ist, um die Größe des Raumes zu vergrößern oder zu reduzieren.
5. Filtriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bewirken einer Fluidrückspülung einen Einlaß (38, 38A) auf der dem Raum abgewandten Seite des Bodens (14) oder des Kolbens (26) (je nachdem, was näher beim Filtratauslaß (16) ist) umfassen.
6. Filtriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (42, 44) zum Einleiten von Rückspülfluid in den Raum in einer zur Bewegungsrichtung des Kolbens senkrechten Richtung vorgesehen sind.
17. Filtriervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mit einer Kolbenstange (22) versehen ist, die sich durch den Raum erstreckt, und daß die Mittel zum Einleiten von Rückspülfluid Mittel (43, 43A, 47, 49) zum Zuführen von Fluid nach außen durch Öffnungen in der Kolbenstange umfassen.
8. Filtriervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (44, 45, 47, 48, 48A, 49) zum seitlichen Einleiten von Rückspülfluid durch die Wände der Kammer in den Raum vorgesehen sind.
9. Filtriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen an den Einlaß (18) angrenzenden Rückspülauslaß (20) zum Abführen von während des Rückspülens von den Fasern entfernten Feststoffen.
10. Verfahren zum Filtrieren einer Flüssigkeit, umfassend das Führen einer zu filtrierenden Flüssigkeit durch eine Masse faserigen Materials in einer Vorwärtsrichtung, und von Zeit zu Zeit das Reinigen der Masse faserigen Materials durch zwangsläufige abwechselnde Expansion und Verdichtung unter gleichzeitigem Führen eines sauberen Rückspülfluids durch die Masse faserigen Materials.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die faserige Masse aus elektrisch leitenden Fasern besteht, und daß ein elektrisches Potential an die faserige Masse angelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität des Potentials während des Rückspülens umgekehrt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sterilisierende und/oder reinigende Chemikalien im Rückspülfluid enthalten sind, um die faserige Masse und die sie enthaltende Kammer zu sterilisieren und/oder zu reinigen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf von geeignetem Druck und Temperatur mit dem Rückspülfluid zugeführt wird, um eine Sterilisation der Masse von Fasern und der sie enthaltenden Kammer zu bewirken.
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