DE10217966A1 - filter means - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtervorrichtung zur Filterung von Fluiden gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruches 1.The invention relates to a filter device for Filtering fluids according to the preamble of the patent claim 1.
Eine solche Filtervorrichtung ist aus der DE 72 25 662 U1 bekannt. Dort wird eine Tangential- oder Querstromfil tration durchgeführt, bei der überwiegend eine Tangential strömung längs der Membran stattfindet.Such a filter device is from DE 72 25 662 U1 known. There is a tangential or cross flow fil tration carried out in which predominantly a tangential flow takes place along the membrane.
Aus der DE 39 24 658 A1 ist eine weitere Filtervorrichtung bekannt, bei der zur Filtration feststoffhaltiger Flüssig keiten mittels mindestens einer Filterfläche zur Verhinderung einer Filterkuchenbildung und einer Verlegung der Filterporen vorgeschlagen wird, die Filterfläche in Bewegung zu ver setzen. Alternativ oder zusätzlich kann in der zu filtrie renden Flüssigkeit eine Strömung erzeugt werden, die eine tangential zur Filterfläche gerichtete Geschwindigkeits komponente von mindestens 0,1 m/sec aufweist. Zum Freihalten der Filterfläche wird dort vorzugsweise eine turbulente Strömung erzeugt, die beispielsweise durch ein vorbeiströ mendes Gas-Flüssigkeitsgemisch entsteht. Es können aber auch mit Pumpen, Düsen, Rühraggregaten, Schikanen, Leit blechen, rotierenden Walzen oder Vibrationsvorrichtungen die gewünschten Turbulenzen erzeugt werden, die der Filter kuchenbildung entgegenwirken. Zusätzlich kann die Filter fläche auch elektrisch geladen werden, um Feststoffe abzustoßen.Another filter device is known from DE 39 24 658 A1 known, for the filtration of solids-containing liquid with at least one filter surface for prevention a filter cake formation and a relocation of the filter pores it is proposed to ver the filter surface in motion put. Alternatively or additionally, the filter can liquid, a flow is generated which is a speed directed tangentially to the filter surface component of at least 0.1 m / sec. To keep clear the filter surface there preferably becomes a turbulent one Flow generated, for example, by passing gas-liquid mixture. But it can also with pumps, nozzles, stirring units, baffles, guide sheet metal, rotating rollers or vibrating devices the desired turbulence is generated by the filter counteract cake formation. In addition, the filter surface can also be electrically charged to solids repel.
Die bekannte Vorrichtung hat mehrere Schmutzwasserkammern und eine entsprechende Anzahl von Reinwasserkammern, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Die Haupt strömungsrichtung in den Schmutzwasserkammern erfolgt tangential zur Membran. Auch die Zufuhr der zu filtrierenden Flüssigkeit erfolgt parallel zur Membran. Wesentlich ist auch noch, daß die Filterung weitestgehend drucklos erfolgt. In den Schmutzwasserkammern kommt es vor den Filterflächen zu einer Anreicherung von Feststoffen der Flüssigkeit, die dann über Leitungen und Pumpen abgeschlämmt werden, was in Abhängigkeit von der Trübung der Flüssigkeit in den Schmutzwasserkammern erfolgen soll. Hierzu sind auch eine Meßsonde und ein Regelgerät vorgesehen, das die ent sprechende Pumpe steuert.The known device has several dirty water chambers and a corresponding number of pure water chambers that are separated from each other by a membrane. The main flow direction in the dirty water chambers tangential to the membrane. Also the supply of the to be filtered Liquid runs parallel to the membrane. Is essential also that the filtering is largely without pressure. It occurs in front of the filter surfaces in the dirty water chambers to accumulate solids in the liquid, which are then drained off via pipes and pumps, what depending on the turbidity of the liquid in the dirty water chambers should take place. This includes a measuring probe and a control device are provided, which ent speaking pump controls.
Bei der Membranfiltration tritt das Phänomen der Verblockung bzw. des "Fouling" von Filtermembranen auf, bei dem im Verlauf der Filtration die Durchflußmenge pro Zeiteinheit (dV/dt) durch die Filtermembran bzw. das Filtermedium abnimmt. Verschiedene Teilprozesse tragen einzeln oder gemeinsam zum Fouling bei. Zum einen werden die Poren der Membran teilweise blockiert, was eine relativ schnelle Abnahme der Durchflußmenge zur Folge hat; andererseits bildet sich auf der stromaufwärtigen Seite des Filtermediums ein sogenannter "Filterkuchen" (oft auch als "Sekundär membran" bezeichnet), der den Strömungswiderstand weiter erhöht und somit die Durchflußmenge durch das Filtermedium weiter, aber langsamer als beim Blockieren der Poren ver ringert. Auf dem Filterkuchen kann sich auch noch eine sog. Konzentrationspolarisationsschicht (concentration polarization layer) bilden.The phenomenon of blocking occurs in membrane filtration or "fouling" of filter membranes, in which Filtration course the flow rate per unit of time (dV / dt) through the filter membrane or the filter medium decreases. Different subprocesses carry individually or together for fouling at. For one, the pores of the Membrane partially blocked, which is relatively quick Leads to a decrease in the flow rate; on the other hand forms on the upstream side of the filter medium a so-called "filter cake" (often also as a "secondary membrane "), which further increases the flow resistance increases and thus the flow rate through the filter medium wider, but slower than when blocking the pores Ringert. There can also be one on the filter cake So-called concentration polarization layer (concentration polarization layer).
Die verschiedenen, zum Fouling führenden Prozesse können unterteilt werden in reversible und irreversible Prozesse, die durch gewisse Maßnahmen wie z. B. Rückspülen (back flushing) umgekehrt bzw. nicht umgekehrt (z. B. Adsorption) werden können.The different processes leading to fouling can are divided into reversible and irreversible processes, which by certain measures such. B. Backwash (back flushing) reversed or not reversed (e.g. adsorption) can be.
Darüber hinaus können sich die zurückgehaltenen Stoffe nicht nur auf der stromaufwärtigen Seite (Anströmseite) des Filters den Filterkuchen ausbilden, sondern zumindest teilweise in das Filtermedium eindringen und dort die Kanal- oder Porenstrukturen blockieren. In diesem Fall ist eine Reinigung durch gängige Verfahren schwierig bis unmöglich.In addition, the retained substances can not only on the upstream side (inflow side) of the filter form the filter cake, but at least partially penetrate into the filter medium and there the channel or block pore structures. In this case it is Cleaning by common procedures difficult to impossible.
Diese Mechanismen reduzieren die mögliche Nutzungsdauer (Standzeit) der Filtermedien und erhöhen somit die Kosten und den Aufwand (Wartung, Überwachung etc.) für die Fil tration.These mechanisms reduce the possible useful life (Service life) of the filter media and thus increase the costs and the effort (maintenance, monitoring, etc.) for the fil tration.
Zur Beseitigung des Filterkuchens sind nach dem Stand der Technik zahlreiche Ansätze, Verfahren und Einrichtungen bekannt. Verfahren zur Beseitigung der zurückgehaltenen Stoffe bzw. zur Reinigung des Filters umfassen physikalische und chemische Verfahren.To remove the filter cake, according to the state of the art Technology numerous approaches, processes and facilities known. Procedures to remove the detained Substances or for cleaning the filter include physical ones and chemical processes.
Bei den physikalischen Reinigungsverfahren werden z. B. Rechen- oder Rütteleinrichtungen genutzt. Bei solchen Verfahren wird der Filterkuchen durch den Rechen oder eine ähnliche Einrichtung von der stromaufwärtigen Seite des Filtermediums entfernt. Mitunter werden auch die Filter in Vibration versetzt oder wird turbulente Strömung erzeugt. In the physical cleaning processes such. B. Computing or vibrating equipment used. In such The filter cake is made by the rake or a process similar facility from the upstream side of the Filter medium removed. Sometimes the filters too vibrated or turbulent flow is generated.
Zur Erzeugung turbulenter Strömungen werden z. B. Schikanen und/oder Frequenzgeber (wie z. B. Ultraschallgeneratoren) genutzt. In einigen Ausführungen nach dem Stand der Technik wird für einen Abtransport von Teilchen des Filterkuchens eine zur Filterfläche parallel gerichtete Strömung (Quer strömung) z. B. mit Hilfe eines geeignet eingeleiteten Gases erzeugt. Solche Mechanismen erfordern allerdings für einen ausreichenden Durchfluß durch das Filtermedium große Filterflächen.To generate turbulent flows z. B. baffles and / or frequency transmitters (such as ultrasonic generators) used. In some versions according to the state of the art is used to remove particles of the filter cake a flow parallel to the filter surface (transverse flow) z. B. with the aid of a suitably introduced gas generated. Such mechanisms, however, require one sufficient flow through the filter medium large Filter surfaces.
Dieser Kategorie von Reinigungsverfahren kann beispielsweise auch das sog. "Rückspülen" des Filters zugerechnet werden. Bei diesem Verfahren wird der Filtrationsprozeß unterbrochen, das Filtermedium in der der ursprünglichen Stromrichtung entgegengesetzten Richtung mit einem Reinigungsfluid gespült und der Filtrationsprozeß (mit einer gewissen "Vorlaufzeit") anschließend fortgesetzt.This category of cleaning processes can, for example the so-called "backwashing" of the filter can also be included. In this process, the filtration process is interrupted the filter medium in the original current direction flushed in the opposite direction with a cleaning fluid and the filtration process (with a certain "lead time") then continued.
Bei chemischen Verfahren wird beispielsweise das Filtermedium mit einer oder mehreren Reinigungslösungen gespült. Diese Reinigungslösungen können in dem Filtermedium nach der Filterreinigung zurückbleiben und müssen unter Umständen ausgewaschen werden (Dies geschieht z. B. durch Fortsetzen des Filtrationsprozesses, wobei das unmittelbar nach der Wiederaufnahme des Filtrationsprozesses gefilterte Fluid nicht verwendet kann, sondern entsorgt werden muß).In chemical processes, for example, the filter medium rinsed with one or more cleaning solutions. This Cleaning solutions can be found in the filter medium after Filter cleaning may remain and may have to be washed out (e.g. by continuing of the filtration process, which is immediately after the Resumption of the filtration process filtered fluid cannot be used, but must be disposed of).
Die bekannten Verfahren zur Beseitigung des Filterkuchens (z. B. DE 39 24 658 A1) weisen die folgenden Nachteile auf. Zum einen erfordern sie eine erheblichen technischen Aufwand (Rechen- oder Rührwerke, Gaseinleitung, Vibrationseinrich tungen etc.) und machen das Verfahren störanfällig und kompliziert. Außerdem wird der Wartungs- und Kostenaufwand erhöht.The known methods for removing the filter cake (e.g. DE 39 24 658 A1) have the following disadvantages. On the one hand, they require considerable technical effort (Calculators or agitators, gas inlet, vibration device services etc.) and make the process prone to failure and complicated. In addition, the maintenance and cost elevated.
Herkömmliche Reinigungsverfahren sind nicht immer vollkommen effektiv, d. h. sie reinigen die Anströmseite der bzw. die Filtermembran nicht vollständig. Conventional cleaning procedures are not always perfect effective, d. H. they clean the upstream side of the Filter membrane not complete.
Ein anderer Nachteil besteht darin, daß bei manchen Vor richtungen nach dem Stand der Technik große Anlagen, Filter flächen usw. erforderlich sind, um einen ausreichenden Filtratdurchsatz zu erzielen.Another disadvantage is that in some cases State-of-the-art systems, large systems, filters areas, etc. are required to ensure adequate To achieve filtrate throughput.
Ein weiterer Nachteil dieser Reinigungsverfahren ist, daß für den Reinigungsvorgang der Filtrationsvorgang unterbrochen werden muß. Dies reduziert den Filterdurchsatz und erhöht die Kosten.Another disadvantage of these cleaning methods is that for the cleaning process the filtration process is interrupted must become. This reduces the filter throughput and increases the costs.
Zusätzlich ist bei diesen gängigen Verfahren von Nachteil der Energiebedarf und die damit verbundenen Kosten.In addition, it is disadvantageous with these common methods the energy requirement and the associated costs.
Zum weiteren Stand der Technik wird noch die DE 38 18 437 A1 genannt, die eine Filterbatterie mit Schikanenelementen zeigt, die für Turbulenzen sorgen. Die Batterie wird abwechselnd im Filtrier- und im Spülbetrieb betrieben. Die DE 43 29 587 C1 zeigt eine Vorrichtung zum Filtrieren von Flüssigkeit mit einer selbstreinigenden Vorrichtung, bei der das Filter in die Wandung eines Rohres integriert ist und dem Rohr die zu filtrierende Flüssigkeit zugeleitet wird, die das Filter zu einem Teil passiert, um als Filtrat weitergeleitet zu werden und zum anderen Teil, angereichert mit Feststoffen, aus dem sich nach außen öffnenden Ende des Rohres nach außen tritt.DE 38 18 437 A1 also becomes the further prior art called which is a filter battery with baffle elements shows that cause turbulence. The battery will alternately operated in the filtering and flushing mode. DE 43 29 587 C1 shows a device for filtering of liquid with a self-cleaning device, where the filter is integrated into the wall of a pipe and the liquid to be filtered is fed to the pipe that passes the filter in part to as a filtrate to be forwarded and the other part, enriched with solids, from the outward opening end of the tube comes out.
Die WO 97/32652 zeigt ein Filter, bei dem das zu filternde Medium ebenfalls starken Turbulenzen ausgesetzt wird, die beispielsweise durch einen Rotor, Schallwellen, elektrische Felder und ähnliches erzeugt werden.WO 97/32652 shows a filter in which the filter to be filtered Medium is also exposed to strong turbulence for example by a rotor, sound waves, electrical Fields and the like are generated.
Die DE 35 20 489 C1 zeigt ein Filter mit tangentialem Einlaß, bei dem die Flüssigkeit unter kontrollierter Verwirbelung dem Innenraum eines Behälters zugeleitet wird und ein Rühr werk über der Filtermembran ein sich ständig änderndes Druckwechselfeld erzeugt, um die Membran von Rückständen freizuhalten. DE 35 20 489 C1 shows a filter with a tangential inlet, where the fluid is under controlled swirling is fed to the interior of a container and a stirrer plant over the filter membrane a constantly changing Alternating pressure field generated to the membrane of residues kept clear.
Die DE 14 36 287 A1 zeigt schließlich ebenfalls ein Tangen tialfilter mit einer Spülung der Filterwand zum Lösen von Verunreinigungen.DE 14 36 287 A1 finally also shows a Tangen tial filter with a rinse of the filter wall to loosen Impurities.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Filtervorrichtung dahingehend zu verbessern, daß auf der stromaufwärtigen Seite (Anströmseite) der Filtermembran die Ausbildung einer Deckschicht (Filterkuchen) aus durch die Filtermembran zurückgehaltenen Stoffen zumindest verlangsamt, wenn nicht gar vollständig verhindert wird.The object of the invention is the known filter device to improve that on the upstream Side (upstream side) of the filter membrane the formation of a Cover layer (filter cake) from through the filter membrane retained substances at least slowed down, if not is completely prevented.
Dies soll im wesentlichen dadurch erfolgen, daß die Anström seite der Filtermembran selbsttätig gereinigt wird. Insbe sondere soll die Filtermembran möglichst ohne äußeren Ein griff durch Personal, möglichst ohne Unterbrechung der Filtration, ohne Zusatzmedien (z. B. eingeleitete Gase) und möglichst kontinuierlich gereinigt werden. Vorzugsweise soll ein Austausch der Filteranordnung oder einer ihrer Komponenten vereinfacht und der Wartungsaufwand verringert werden. Schließlich soll die Standzeit der Filtermembran verlängert werden bei gleichzeitig reduzierten Kosten.This should essentially be done in that the inflow side of the filter membrane is cleaned automatically. in particular in particular, the filter membrane should preferably have no external input attacked by staff, if possible without interrupting the Filtration, without additional media (e.g. introduced gases) and be cleaned as continuously as possible. Preferably an exchange of the filter arrangement or one of their Components simplified and maintenance work reduced become. Finally, the service life of the filter membrane be extended with reduced costs at the same time.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent nehmen.This object is achieved by the specified in claim 1 Features solved. Advantageous refinements and further Formations of the invention are to be found in the dependent claims to take.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, einen Kreis lauf, d. h. eine Querströmung zum Reinigen der Filtermembran und einen Rücklauf zu bilden, während die Hauptfiltrier richtung senkrecht zur Membran liegt. Damit können zurück gehaltene Stoffe ständig und bei fortlaufender Filtration entnommen und entsorgt werden. Im Gegensatz zur eingangs genannten DE 72 25 662 U1 wird in erster Linie eine sog. "Dead-End-Filtration" durchgeführt, bei der die Hauptströmung senkrecht durch die Filtermembran läuft und die dem Fluid aufgeprägte Querstromkomponente vorrangig zur Entfernung zurückgehaltener Stoffe auf der Anströmseite der Filter membran dient. Das die zurückgehaltenen Stoffe trans portierende Fluid aus der Querstromkomponente wird über Entnahmestellen zu einem Rückführkanal geleitet und über diesen in den Zufuhrkanal zurückgeleitet. Im Bereich des Rückführkanales ist vorzugsweise ein Feststoffabscheider angeordnet, in welchem eine weitere Abreicherung von Feststoffen aus dem Fluid durchgeführt wird.The basic principle of the invention is a circle run, d. H. a cross flow to clean the filter membrane and to form a reflux while the main filter direction is perpendicular to the membrane. So that can go back substances kept constantly and with continuous filtration removed and disposed of. In contrast to the beginning DE 72 25 662 U1 mentioned is primarily a so-called. "Dead-end filtration" is carried out at the main flow runs vertically through the filter membrane and the fluid Imprinted cross-flow component primarily for removal retained substances on the upstream side of the filter membrane serves. That the retained substances trans porting fluid from the cross flow component is over Tapping points directed to a return channel and over this is fed back into the feed channel. In the area of The return channel is preferably a solids separator arranged, in which a further depletion of Solids from the fluid is carried out.
Die treibende Kraft für die Filtration wird von einer den Hauptstrom im Zufuhrkanal bewirkenden Einrichtung bewirkt, wie z. B. einer Hauptpumpe.The driving force for filtration is one of the Causes main flow in the feed duct device, such as B. a main pump.
Die tangential gerichtete Querströmung wird durch die
Geometrie der Filtermembran und des ihr zugeordneten
Hauptkörpers erreicht. Die Rückströmung im Rückführkanal,
die eine wesentliche Komponente entgegen der Hauptrichtung
im Zufuhrkanal hat, wird vorzugsweise durch eine Strömungs
verengung erreicht, die lokale Druckdifferenzen an der
Rückleitungsstelle des Rückführkanales in den Zufuhrkanal
bewirkt. Aufgrund verhältnismäßig kurzer Wegstrecken und
eines geringen Druckabfalles längs dieser Wegstrecken wird
auch nur eine verhältnismäßig geringe Druckdifferenz für
die Rückführung des Fluids benötigt. Nach der Bernoulli-
Gleichung:
The tangentially directed cross flow is achieved by the geometry of the filter membrane and the main body assigned to it. The return flow in the return channel, which has an essential component against the main direction in the supply channel, is preferably achieved by a flow restriction, which causes local pressure differences at the return point of the return channel in the supply channel. Because of the relatively short distances and a low pressure drop along these distances, only a relatively small pressure difference is required for the return of the fluid. According to the Bernoulli equation:
(mit p = Druck; ρ = Dichte und v = Geschwindigkeit) und
der Kontinuitätsgleichung:
A1 v1 = A2 v2
(A = Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsgeschwindig
keit)
wird der Zusammenhang zwischen Druck und Strömungsgeschwin
digkeit bzw. Kanalquerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit
beschrieben. Gemäß diesen beiden Gleichungen ergibt sich,
daß bei abnehmendem Querschnitt die Geschwindigkeit steigt
und der Druck wiederum sinkt. Durch die Strömungsverengung
im Zufuhrkanal an der Stelle, an der der Rückführkanal
in den Zufuhrkanal mündet, kann somit eine Druckdifferenz
zwischen dieser Stelle und der Oberfläche der Filtermembran
geschaffen werden, die die Rückführung bewirkt oder zumindest
unterstützt.(with p = pressure; ρ = density and v = velocity) and the continuity equation:
A 1 v 1 = A 2 v 2
(A = cross-sectional area perpendicular to the flow velocity)
the relationship between pressure and flow speed or channel cross-section and flow speed is described. According to these two equations, the speed increases and the pressure decreases as the cross section decreases. Due to the flow restriction in the feed channel at the point at which the return channel opens into the feed channel, a pressure difference can be created between this point and the surface of the filter membrane, which causes or at least supports the return.
Wahlweise kann alternativ oder kumulativ auch eine Pumpe vorgesehen sein, die wirkungsmäßig im Rückführkanal angeordnet ist.Alternatively, or alternatively, a pump can also be used be provided, which are effective in the return duct is arranged.
Das Ende des Rückführkanales ist vorzugsweise als Rohr ausgebildet, das in den Zufuhrkanal hineinragt und in Richtung auf die Filtermembran gebogen ist. In der Umgebung des Rohrendes ist der Querschnitt des Zufuhrkanales verengt, was durch einen geringeren Durchmesser oder in diesem Bereich eingesetzte "Schikanenelemente" erreicht wird. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein rotationssymmetrisches Einsatzstück, dessen Aufgabe darin besteht, unmittelbar nach dem Rohrende durch eine Verengung lokal eine Druck differenz auszubilden, die die Einleitung des rückgeführten Fluids in den Zufuhrkanal bewirkt. Dabei wird durch das in der Verengung schneller strömende Fluid eine Saugwirkung erzielt.The end of the return duct is preferably a tube trained, which protrudes into the feed channel and in Is bent towards the filter membrane. In the neighborhood the cross-section of the feed channel is narrowed at the end of the pipe, what about a smaller diameter or in that area used "baffle elements" is reached. in this connection it is, for example, a rotationally symmetrical Insert piece whose job is to do it immediately a pressure locally after the pipe end due to a narrowing train the difference that initiates the return Fluids in the supply channel causes. It is by the in the narrowing faster flowing fluid a suction effect achieved.
Bei der herkömmlichen Tangential- oder Querstromfiltration ist der Durchsatz pro Flächeneinheit des Filters und Zeiteinheit sehr gering. Dies erzwingt für höhere und damit wirtschaftlichere Durchsätze die Verwendung sehr großer Filterflächen. Die Trennung über den Filter findet dabei überwiegend mittels Diffusion durch den Filter statt.With conventional tangential or cross flow filtration is the throughput per unit area of the filter and Time unit very small. This enforces for higher and thus more economical throughputs the use of very large Filter surfaces. The separation takes place via the filter predominantly by means of diffusion through the filter.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist sehr kompakt und kommt mit relativ kleinen Filterflächen aus. Auch arbeitet die Filtervorrichtung nach der Erfindung mit einem hohen Durchsatz. Es wird nämlich nicht im sog. Cross-Flow-Verfahren sondern im sog. Dead-End-Verfahren (Anströmung der Membran parallel zur Normalen der Membran) auch bei hohen Drücken gearbeitet, was eine kompakte Auslegung der Filteranlage bei hohem Durchsatz gestattet. Der apparative Aufwand bei der Erfindung ist gering, da keine beweglichen Teile benötigt werden, was Kosten, Störanfälligkeit, Energie und Arbeits aufwand (Wartung, Betrieb) stark vermindert.The device according to the invention is very compact and manages with relatively small filter areas. Also works the filter device according to the invention with a high Throughput. It is not in the so-called cross-flow process but in the so-called dead-end process (inflow to the membrane parallel to the normal of the membrane) even at high pressures worked what a compact design of the filter system allowed at high throughput. The expenditure on equipment the invention is small since no moving parts are required be what costs, susceptibility to failure, energy and labor expenses (maintenance, operation) greatly reduced.
Die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten Schikanenelemente dienen vor allem dazu, über der gesamten Membranfläche die notwendige Querströmung zu erzeugen, so daß es im wesentlichen keine Membranbereiche gibt, die möglicherweise nicht freigeräumt werden. Die Turbulenz wird in erster Linie durch eine Kombination aus Geschwindigkeit und geringen Spaltabmessungen geschaffen, wobei die Schikanenelemente nur weiter zur Turbulenz bei tragen. Des weiteren erlaubt es diese Geometrie, bei hohen Arbeitsdrücken und damit hohen Durchsätzen zu arbeiten. Durch diese Ausgestaltung werden ohne zusätzliche Mittel, wie z. B. Pumpen, Düsen, Rührwerke etc. und damit ohne zusätz lichen Energiebedarf sehr hohe Quergeschwindigkeiten er reicht, die eine ausgezeichnete Transportwirkung sowie Turbulenzerzeugung gewährleisten. Auch ist der nach der Erfindung vorgeschlagene Aufbau mit austauschbaren Schika nenelementen an verschiedene Prozeßanforderungen leicht anzupassen.The in a preferred embodiment of the invention The baffle elements used primarily serve to over the necessary cross-flow across the entire membrane area to generate so that there are essentially no membrane areas that may not be cleared. The Turbulence is primarily a combination of Speed and small gap dimensions created, the baffle elements only further contributing to the turbulence wear. Furthermore, this geometry allows, at high Work pressures and thus high throughputs. With this configuration, without additional resources, such as B. pumps, nozzles, agitators etc. and thus without additional very high transverse speeds is sufficient, which has an excellent transport effect as well Ensure turbulence generation. It is also after the Invention proposed structure with interchangeable Schika elements to different process requirements easily adapt.
Durch die Einbeziehung elektrischer Felder werden die beabsichtigten Reinigungseffekte noch verstärkt.By including electrical fields, the intended cleaning effects are intensified.
Die Ausgestaltung der Filteranordnung nach der Erfindung schafft zusätzlich zur Reinigung der Filtermembran und Entsorgung der abgetrennten Stoffe auch eine gewisse Sicherung der Membran gegen Druckstöße.The design of the filter arrangement according to the invention creates in addition to cleaning the filter membrane and Disposal of the separated substances also a certain Securing the membrane against pressure surges.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt: In the following the invention is based on exemplary embodiments play in more detail in connection with the drawing explained. It shows:
Fig. 1 eine Filtervorrichtung nach der Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen, die in der linken und der rechten Hälfte der Fig. 1 abgebildet sind; . Figure 1 shows a filter device according to the invention in two embodiments, which are shown in the left and the right half of Fig. 1;
Fig. 2a bis 2d verschiedene Untervarianten der Rückführung und der Abfuhr von Feststoffen; Figures 2a to 2d show various sub-variants of the recirculation and discharge of solids.
Fig. 3a und 3b eine Modifikation des Schikanenelementes bzw. des Hauptkörpers; FIGS. 3a and 3b is a modification of the baffle element or the main body;
Fig. 4 eine Ausführungsform zur Darstellung der Montage von Schikanenelementen in der Filtervorrichtung nach der Erfindung; und4 shows an embodiment illustrating the assembly of baffle elements in the filter device according to the invention. and
Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der Montage eines Schikanenelementes bei der Filtervorrichtung nach der Erfindung. Fig. 5 shows an alternative embodiment of the assembly of a baffle element in the filter device according to the invention.
Fig. 1 zeigt einige Varianten von Filtervorrichtungen nach der Erfindung. Die Filtervorrichtung 1 hat eine Filtermembran 2, der über einen Zufuhrkanal 3, der senkrecht zur Oberfläche des Filtermembran 2 steht, ein zu filterndes Fluid zugeführt wird. Das Fluid ist normalerweise eine mit Feststoffen verunreinigte Flüssigkeit. Es kann aber auch ein mit Fest stoffen verunreinigtes Gas sein. In Strömungsrichtung (vgl. Pfeil Fin) vor der Filtermembran 2 ist ein Hauptkörper 4 angeordnet, der einerseits den Zufuhrkanal 3 fortführt und damit auch bildet und im wesentlichen parallel zur Filtermembran 2 eine seitlich sich über den Zufuhrkanal 3 hinaus erstreckende Kontur hat, die in geringem Abstand B zur Filtermembran läuft und damit einen Spalt 5 bildet. Dieser Spalt hat im linken Teil der Fig. 1 eine konstante Breite B. Bei der im rechten Teil der Fig. 1 dargestellten Variante verkleinert sich der Spalt von der Mitte, d. h. dem Zufuhrkanal 3, her zur Außenseite, wodurch eine Düsen wirkung entsteht. Fig. 1 shows some variants of filter devices according to the invention. The filter device 1 has a filter membrane 2 , which is supplied with a fluid to be filtered via a feed channel 3 , which is perpendicular to the surface of the filter membrane 2 . The fluid is usually a liquid contaminated with solids. But it can also be a gas contaminated with solids. In the flow direction (see arrow F in ) in front of the filter membrane 2 , a main body 4 is arranged, which on the one hand continues and thus also forms the feed channel 3 and has a contour which extends laterally beyond the feed channel 3 and essentially parallel to the filter membrane 2 runs a small distance B to the filter membrane and thus forms a gap 5 . This gap has a constant width B in the left part of FIG. 1. In the variant shown in the right part of FIG. 1, the gap is reduced from the center, ie the feed channel 3 , to the outside, which creates a nozzle effect.
Im Bereich des Querschnittes des Zufuhrkanals 3 gelangt das Fluid im wesentlichen mit einer senkrecht zur Oberfläche der Filtermembran 2 verlaufenden Geschwindigkeitskomponente auf diese. Ein wesentlicher Teil der Strömung wird dann durch den Spalt 5, der als Querkanal dient, parallel zur Oberfläche der Filtermembran 2 geleitet, wie durch die Pfeile vq (für Quergeschwindigkeit) dargestellt ist. Der Querkanal 5 geht dann in einen Rückführkanal 6 über, der das aus dem Spalt 5 austretende Fluid zurück in den Zufuhr kanal 3 leitet. Das in den Zufuhrkanal 3 mündende Ende des Rückführkanals 6 ist als Rohrende 6' ausgeführt, das in Richtung zur Filtermembran 2 hin abgebogen ist, so daß das rückgeführte Fluid parallel zur Hauptströmung (vgl. Pfeil Fin) wieder in den Zufuhrkanal gelangt. Im Ausführungs beispiel der Fig. 1 hat der Zufuhrkanal 3 eine Verengung 3', wobei die engste Stelle vorzugsweise im Bereich des Austritts der Rohrenden 6' des Rückführkanals 6 liegt. Durch diese Verengung tritt - wie eingangs beschrieben - in diesem Bereich eine höhere Strömungsgeschwindigkeit auf und damit eine Druckabsenkung, so daß der Druck am Austrittsende des Rückführkanals kleiner ist als an der Oberfläche der Filtermembran bzw. dem Eintritt des Rück führkanals 6. Zusätzlich bewirken auch die in den Zufuhrkanal 3 hineinragenden Rohrenden 6' eine Querschnittsverengung, was den beschriebenen Effekt unterstützt.In the area of the cross section of the feed channel 3 , the fluid reaches the filter membrane 2 essentially with a velocity component running perpendicular to the surface of the filter membrane 2 . A substantial part of the flow is then passed through the gap 5 , which serves as a transverse channel, parallel to the surface of the filter membrane 2 , as shown by the arrows v q (for transverse speed). The cross channel 5 then merges into a return channel 6 , which conducts the fluid emerging from the gap 5 back into the supply channel 3 . The opening into the supply passage 3 end of the return channel 6 is designed as a pipe end 6 ', which is bent towards the filter membrane 2 out so that the recirculated fluid parallel to the main flow again passes (see FIG. Arrow F in) in the supply channel. In the embodiment example of FIG. 1, the feed channel 3 has a constriction 3 ', the narrowest point preferably being in the region of the outlet of the pipe ends 6 ' of the return channel 6 . As a result of this constriction - as described at the beginning - a higher flow velocity occurs in this area and thus a pressure drop, so that the pressure at the outlet end of the return channel is lower than at the surface of the filter membrane or the inlet of the return channel 6 . In addition, the pipe ends 6 ′ projecting into the feed channel 3 also cause a cross-sectional constriction, which supports the effect described.
Alternativ oder kumulativ zu der Querschnittsverengung 3' können im Bereich der Austrittsöffnung des Rückführkanals 6 auch Einsatzstücke angeordnet sein, die beispielsweise die Form eine sphärischen Körpers 9' haben, der ebenfalls als Strömungsverengung dient.Alternatively or cumulatively to the cross-sectional constriction 3 ', insert pieces can also be arranged in the region of the outlet opening of the return duct 6 , which for example have the shape of a spherical body 9 ', which also serves as a flow constriction.
Alternativ oder kumulativ kann wirkungsmäßig im Rückführkanal 6 auch eine Pumpe 6" angeordnet sein, die die Rückförderung bewirkt.Alternatively or cumulatively, a pump 6 ″ can also be arranged in the return duct 6 , which effects the return conveyance.
Im Zufuhrkanal 3 sind mehrere hier röhrenförmige, rotations symmetrische Schikanenelemente 7 und 8 angeordnet sowie ein sphärisches Schikanenelement 9. Die gesamte Vorrichtung 1 einschließlich Hauptkörper, Schikanenelemente etc. ist hier rotationssymmetrisch zur Achse A. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Schikanenelement 7 rein zylindrisch und das Schikanenelement 8 in etwa trichterförmig mit Perfo rationen 10, die für eine stärkere Verwirbelung sorgen. Auch diese Perforationen können rotationssymmetrisch zur Achse A liegen.A plurality of tubular, rotationally symmetrical baffle elements 7 and 8 and a spherical baffle element 9 are arranged in the feed channel 3 . The entire device 1 including the main body, baffle elements, etc. is here rotationally symmetrical to the axis A. In the exemplary embodiment in FIG. 1, the baffle element 7 is purely cylindrical and the baffle element 8 is approximately funnel-shaped with perforations 10 , which ensure greater swirling. These perforations can also be rotationally symmetrical to the axis A.
Bezogen auf ein in der rechten unteren Ecke der Fig. 1 dargestelltes kartesisches Koordinatensystem mit den beiden Achsen x und y, strömt das Fluid in Richtung des Pfeiles Fin in Richtung der negativen y-Achse parallel zur Symmetrie achse A entlang den Schikanenelementen 7, 9 und durch das perforierte Schikanenelement 8 in Richtung auf die Anström seite der Filtermembran 2. Dabei wird auf der Anströmseite der Membran 2, insbesondere aber nicht ausschließlich in deren Mitte eine turbulente Strömung erzeugt, die eine Anlagerung von durch die Membran 2 zurückgehaltenen Stoffen auf der Anströmseite zumindest verlangsamt. Außerdem wird parallel zur Membran 2 im Spalt 5 eine Strömung mit hoher Querstromgeschwindigkeit (vq) erzeugt, welche die zurück gehaltenen Stoffe entlang der Anströmseite der Membran (parallel zur x-Richtung) transportiert. Die Querströmung im Spalt 5 ist vorzugsweise turbulent, wodurch eventuell auf der Membran 2 befindliche Stoffe von ihr "aufgewirbelt" und mit der Querströmung abtransportiert werden.X relative to a bottom in the right corner of FIG. 1 represented Cartesian coordinate system with the two axles and y, the fluid of the y-axis negative flows in the direction of the arrow F in in the direction parallel to the symmetry axis A along the baffle elements 7, 9 and through the perforated baffle element 8 in the direction of the inflow side of the filter membrane 2nd In this case, a turbulent flow is generated on the upstream side of the membrane 2 , in particular but not exclusively in the middle thereof, which at least slows down the accumulation of substances retained by the membrane 2 on the upstream side. In addition, a flow with a high cross-flow velocity (v q ) is generated parallel to the membrane 2 in the gap 5 and transports the retained substances along the upstream side of the membrane (parallel to the x-direction). The cross flow in the gap 5 is preferably turbulent, as a result of which substances located on the membrane 2 are "whirled up" by it and transported away with the cross flow.
Die zurückgehaltenen Stoffe werden aus der Querströmung entnommen bzw. von ihr abgetrennt und die von den zurück gehaltenen Stoffen im wesentlichen befreite Querströmung wird durch den Rückführkanal 6 auf die Einströmseite in den Hauptstrom, d. h. dem Zufuhrkanal 3 zurückgeleitet. Auf diese Weise erfolgt eine Reinigung der Membran 2 ohne Unterbrechung des Filtrationsvorganges.The retained substances are removed from the cross flow or separated therefrom and the cross flow substantially freed from the retained substances is returned through the return duct 6 to the inflow side into the main stream, ie the feed duct 3 . In this way, the membrane 2 is cleaned without interrupting the filtration process.
In der rechten und der linken Hälfte der Fig. 1 sind ver schiedene Varianten für die Ausbildung des Rückführkanales dargestellt. Im linken Teil verläuft er geradlinig schräg nach oben, im rechten Teil zunächst senkrecht nach oben und dann über einen abgeknickten, einen horizontalen sowie einen nach unten abgeknickten Abschnitt zurück in den Zu fuhrkanal 3. Andere Formen sind selbstverständlich ebenfalls möglich.In the right and left halves of FIG. 1, different variants for the formation of the return channel are shown. In the left part it runs straight upwards, in the right part first vertically upwards and then over a kinked, a horizontal and a kinked section back into the feed channel 3 . Other shapes are of course also possible.
Falls die Wegstrecke von der Mitte der Membran 2 zu ihrem
Rand nicht zu lang ist, ist der Druckabfall entlang der
Wegstrecke relativ gering und eine ausreichende Transport
wirkung gewährleistet, wie durch das Gesetz von Hagen-
Poiseuille (G-HP) in Näherung beschrieben wird:
If the distance from the center of the membrane 2 to its edge is not too long, the pressure drop along the distance is relatively small and a sufficient transport effect is guaranteed, as is approximated by the law of Hagen-Poiseuille (G-HP):
wobei L = Länge einer Röhre, r = Radius der Röhre und ent spricht ungefähr B.where L = length of a tube, r = radius of the tube and ent speaks roughly B.
Den Strömungszustand eines Fluids beschreibt man mit Hilfe
der Reynolds-Zahl Re, die in folgender Gleichung (1)
angegeben ist:
The flow state of a fluid is described using the Reynolds number Re, which is given in the following equation (1):
Re = 2 r ρ v/η (1)Re = 2 r ρ v / η (1)
Dabei ist r (m) der Radius der Querschnittfläche, durch die das Fluid strömt, ρ die (von der Fluidtemperatur abhängige) Dichte des Fluids, v (m/s) die Strömungsge schwindigkeit sowie η (Pa.s) die Viskosität des Fluids. Die entsprechenden Werte für Wasser lauten beispielsweise: η = 1,8 × 10-3 Pa.s (bei 0°C) bzw. 1,0 × 10-3 Pa.s bei 20°C; ρ = 1000 kg/m3. Für Werte von Re < ca. 2000 ist die Strömung laminar, während sie für Werte von Re < ca. 3000 turbulent ist (im Bereich 2000 < Re < 3000 ist der Strö mungszustand instabil und wechselt von einem Typ in den anderen).Here, r (m) is the radius of the cross-sectional area through which the fluid flows, ρ the (fluid temperature-dependent) density of the fluid, v (m / s) the flow rate, and η (Pa.s) the viscosity of the fluid. The corresponding values for water are, for example: η = 1.8 × 10 -3 Pa.s (at 0 ° C) or 1.0 × 10 -3 Pa.s at 20 ° C; ρ = 1000 kg / m 3 . The flow is laminar for values of Re <approx. 2000, while it is turbulent for values of Re <approx. 3000 (in the range 2000 <Re <3000 the flow state is unstable and changes from one type to the other).
Nach Gleichung (1) kann durch geeignete Wahl der Parameter r, v (und u. U. auch der Temperatur T und damit der Viskosität des Fluids) die Strömung des Fluids wahlweise in eine turbu lente und/oder laminare Strömung übergeführt werden. Dieser Umstand wird für die vorliegende Erfindung genutzt. Ändern sich die entsprechenden Parameter über eine Kanalstrecke, so ändert sich auch entsprechend der Strömungszustand.According to equation (1), the parameters can be selected appropriately r, v (and possibly also the temperature T and thus the viscosity of the fluid) the flow of the fluid optionally into a turbu lente and / or laminar flow are transferred. This Circumstances are used for the present invention. To change the corresponding parameters over a channel section, the flow state also changes accordingly.
Als Beispiel wird die Filtervorrichtung nach Fig. 1 be trachtet, die z. B. folgende Parameterwerte (in SI-Einheiten) aufweist: ρ = 1000 kg/m3, η = 1,8 × 10-3 Pa.s, r = 0,5 × 10-3 m (0,5 mm) = B/2; v = 10 m/s (Druckdifferenz 1 Bar): Mit diesen Werten ergibt sich für den Spaltbereich 5 zwischen der Unterseite 12, 16 und der Membran 2 ein Re ≈ 5500; also turbulente Strömung mit sehr hoher Strömungsgeschwin digkeit v.As an example, the filter device of FIG. 1 is considered, the z. B. has the following parameter values (in SI units): ρ = 1000 kg / m 3 , η = 1.8 × 10 -3 Pa.s, r = 0.5 × 10 -3 m (0.5 mm) = B / 2; v = 10 m / s (pressure difference 1 bar): With these values, a Re ≈ 5500 results for the gap area 5 between the underside 12 , 16 and the membrane 2 ; so turbulent flow with very high flow speed v.
Variiert man die Parameter (insbesondere r bzw. B) über den Fluidweg, können Zonen mit turbulenter und laminarer Strömung geschaffen und der Druckabfall entlang der strom aufwärtigen Seite der Membran 2 eingestellt werden. Natürlich gilt dies auch für jeden anderen Bereich im Fluidstrom, insbesondere auch im Bereich der Schikanenelemente 7, 8 und 9. Durch die geeignete Parametrisierung und Formgebung der Schikanenelemente wird im Bereich z der Oberfläche der Membran 2 eine turbulente Strömung mit starker Quer komponente geschaffen.If the parameters (in particular r or B) are varied via the fluid path, zones with turbulent and laminar flow can be created and the pressure drop along the upstream side of the membrane 2 can be set. Of course, this also applies to any other area in the fluid flow, in particular also in the area of the baffle elements 7 , 8 and 9 . Through the appropriate parameterization and shaping of the baffle elements, a turbulent flow with a strong transverse component is created in the area z of the surface of the membrane 2 .
Im rechten Teil der Fig. 1 ist eine zweite Ausführungsform der Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform ist der dem linken Teil der Fig. 1 gezeigten ähnlich, wobei aber die Unterseite 12 des Hauptkörpers 4 nicht mehr, wie die Unterseite 11 im linken Teil der Fig. 1 parallel zur Membran 2 verläuft, sondern einen sich in Richtung des Randes der Membran 2 hin verengenden Spalt 5 bildet. Insbesondere kann die Kontur gemäß der Gleichung Hagen-Poiseuille so festgelegt werden, daß das Verhältnis dV/dt × L/r4 bzw. dV/dt × L/B4 einen konstanten Wert hat. Gemäß der Gleichung Hagen-Poiseuille führt dies zu einem konstanten Druckabfall (Δp) über die Länge L auf der Anströmseite der Membran 2. Je nach Wahl der Parameter (z. B. dV/dt, L, r bzw. B sowie η) kann somit der für den Abtransport zurückgehaltener Stoffe erforderliche Druckabfall nach Wunsch festgelegt werden. Dieses Merkmal erhöht die Transporteffizienz und erlaubt eine Reduzierung des Druckes auf der Anströmseite der Membran 2 (Reduzierung des Energiebedarfs, kleinere Pumpen und geringere Pump leistung notwendig). In dieser Ausführungsform der Filter vorrichtung 1 sind kein zusätzlicher Energieaufwand und kein zusätzliches Medium (z. B. Gase o. ä.) nötig, um die Membran 2 zu reinigen. Sie wird vielmehr selbsttätig gereinigt.In the right part of FIG. 1, a second embodiment of the filter device according to the present invention is shown. This embodiment is similar to that shown on the left part of FIG. 1, but the underside 12 of the main body 4 no longer runs parallel to the membrane 2 as the underside 11 in the left part of FIG. 1, but rather in the direction of the edge of the Membrane 2 narrowing gap 5 forms. In particular, the contour can be determined in accordance with the Hagen-Poiseuille equation so that the ratio dV / dt × L / r 4 or dV / dt × L / B 4 has a constant value. According to the Hagen-Poiseuille equation, this leads to a constant pressure drop (Δp) over the length L on the upstream side of the membrane 2 . Depending on the choice of parameters (e.g. dV / dt, L, r or B as well as η), the pressure drop required for the removal of substances retained can thus be determined as desired. This feature increases the transport efficiency and allows a reduction in the pressure on the upstream side of the membrane 2 (reduction in energy consumption, smaller pumps and lower pump output necessary). In this embodiment of the filter device 1 , no additional energy expenditure and no additional medium (e.g. gases or the like) are necessary to clean the membrane 2 . Rather, it is cleaned automatically.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich mindestens eine Elektrode 14 vorgesehen sein. Im linken Teil der Fig. 1 sind als ein Beispiel eine Hauptelektrode 14 in der sphärischen Schikane und zwei sekundäre Elektroden 15 im Hauptkörper 4 dargestellt. Die Anzahl der Elektroden kann natürlich verschieden sein sowie auch ihre Anordnung. Auch ist es beispielsweise möglich, Elektroden 11, 17 am Hauptkörper 4 anzubringen und zwar beispielsweise direkt an dessen Unterseite 16 bzw. 12. Die Elektroden können dabei auch so angeordnet sein, daß sie die Funktion von Schikanen im Spalt 5 erfüllen. In diesem Falle sollten sie zu ihrem Schutz vor einer Einwirkung durch das Fluid ummantelt sein. Mit Hilfe der Elektroden können im Fluid und insbesondere in der Umgebung der Filtermembran 2 elek trische Felder erzeugt werden und vorzugsweise gepulste elektrische Felder, was beim Loslösen von zurückgehaltenen Stoffen auf der Membran 2 unterstützend wirkt. Schließlich kann auch auf der stromabwärtigen oder der stromaufwärtigen Seite der Membran 2 eine weitere Elektrode 19 vorgesehen sein, die natürlich grobmaschiger als die Membran ist und auf die Feststoffpartikel eine abstoßende Wirkung hat.According to a development of the invention, at least one electrode 14 can additionally be provided. In the left part of FIG. 1, a main electrode 14 in the spherical chicane and two secondary electrodes 15 in the main body 4 are shown as an example. The number of electrodes can of course be different, as can their arrangement. It is also possible, for example, to attach electrodes 11 , 17 to the main body 4 , for example directly on the underside 16 or 12 thereof . The electrodes can also be arranged so that they perform the function of baffles in the gap 5 . In this case, they should be sheathed to protect them from exposure to the fluid. With the help of the electrodes, 2 electric fields can be generated in the fluid and in particular in the vicinity of the filter membrane, and preferably pulsed electric fields, which has a supportive effect when detaching retained substances on the membrane 2 . Finally, a further electrode 19 can also be provided on the downstream or the upstream side of the membrane 2 , which of course is coarser-meshed than the membrane and has a repulsive effect on the solid particles.
Die Elektroden ragen teilweise in den Fluidstrom, d. h. insbesondere in den Spalt 5, sowie vom sphärischen Schika nenelement 9 in Richtung auf die Membran 2 und sind z. B. als Anode geschaltet. Auf der Anströmseite der Membran sind elektrische Leiter aufgebracht, die als Kathode ge schaltet sind. Wird über Kathode und Anode ein Stromimpuls durch das Fluid geschickt, werden, z. B. durch elektrolytische Zerlegung von Wasser, Gasbläschen erzeugt, die eine even tuelle Ablagerungsschicht auf der Anströmseite der Membran aufbrechen oder zerlegen und deren Ablösung von der Membran zumindest erleichtern. Dabei werden auch äußerst reaktive freie Radikale erzeugt, die die Bildung von Biofilmen zumindest erschweren, wenn nicht gerade verhindern.The electrodes partially protrude into the fluid flow, ie in particular in the gap 5 , and from the spherical Schika element 9 in the direction of the membrane 2 and are z. B. switched as an anode. On the upstream side of the membrane, electrical conductors are applied, which are switched as a cathode. If a current pulse is sent through the fluid via the cathode and anode, e.g. B. generated by electrolytic decomposition of water, gas bubbles that break up or disassemble an eventual deposit layer on the upstream side of the membrane and at least facilitate their detachment from the membrane. Extremely reactive free radicals are also generated, which at least complicate, if not prevent, the formation of biofilms.
Die Werte der Stromimpulse liegen beispielsweise im Bereich von wenigen 10 mA/cm2 bis einige 100 mA/cm2. Die Anzahl der Stromimpulse pro Stunde kann je nach Verlauf des even tuellen Foulings, der Zusammensetzung des Unfiltrats, der Membranwerte zwischen 2 bis 12 oder mehr pro Stunde liegen. Die Dauer der Stromimpulse liegt im Bereich von wenigen Sekunden (1-5 s) bis ca. einigen 10 Sekunden.The values of the current pulses are, for example, in the range from a few 10 mA / cm 2 to a few 100 mA / cm 2 . The number of current pulses per hour can be between 2 and 12 or more per hour, depending on the course of the possible fouling, the composition of the unfiltrate, and the membrane values. The duration of the current pulses is in the range from a few seconds (1-5 s) to around a few 10 seconds.
Die Zahl der Elektroden, die der Membranfläche zugeordnet sind (Zahl der Elektroden/Membranfläche) kann natürlich nach Bedarf gewählt werden. In einer Ausführungsform sind acht Elektroden im Hauptkörper sowie eine Elektrode im sphärischen Schikanenelement vorgesehen. Die Elektroden können darüber hinaus auch durch eine das elektrische Feld nicht beeinflussende Ummantelung gegen das Fluid geschützt sein. Dieses zusätzliche Merkmal kann eine Ausbildung einer Fouling-Schicht weiter erschweren oder ganz verhindern. Dadurch kann der Durchsatz durch die Membran 2 deutlich erhöht werden. Dies wiederum erlaubt eine Reduzierung der Filterfläche bei gleichem Durchsatz oder fordert einen geringeren Druck (Pumpleistung, Energieverbrauch) bzw. geringere Fluidgeschwindigkeiten bei gleichem Durchsatz. Die Effekte für die Filtrationskosten sind daher offenkundig.The number of electrodes assigned to the membrane area (number of electrodes / membrane area) can of course be selected as required. In one embodiment, eight electrodes are provided in the main body and one electrode in the spherical baffle element. The electrodes can also be protected against the fluid by a sheath that does not influence the electrical field. This additional feature can further complicate or completely prevent the formation of a fouling layer. As a result, the throughput through the membrane 2 can be increased significantly. This in turn allows a reduction in the filter area with the same throughput or requires a lower pressure (pump power, energy consumption) or lower fluid speeds with the same throughput. The effects on filtration costs are therefore obvious.
Fig. 1 ist weiter zu entnehmen, daß am radialen Ende des Spaltes 5 und in dem Übergangsbereich zu dem Rückführkanal 2 eine Entnahmevorrichtung 20 angebracht ist, durch die zum Rand der Membran transportierte Stoffe abgeschieden werden und nicht mehr in den Rückführkanal gelangen. Im einfachsten Fall ist diese Entnahmevorrichtung 20 ein ring förmiger Behälter. Dieser Behälter kann rotationssymmetrisch zur Achse A ausgebildet sein, in den die Querströmung des Fluids hineingelangt. Sofern die herausgefilterten Verunreinigungen schwerer als die Flüssigkeit sind, können diese sich absetzen und werden in der Entnahmevorrichtung 20 "gesammelt". Von dort können sie intermittierend entfernt werden, ohne daß der Filtrationsbetrieb dadurch unterbrochen werden muß. Fig. 1 can also be seen that at the radial end of the gap 5 and in the transition region to the return channel 2, a removal device 20 is attached, through which substances transported to the edge of the membrane are separated and no longer get into the return channel. In the simplest case, this removal device 20 is a ring-shaped container. This container can be rotationally symmetrical to the axis A, into which the transverse flow of the fluid enters. If the contaminants filtered out are heavier than the liquid, they can settle and are "collected" in the removal device 20 . From there they can be removed intermittently without having to interrupt the filtration operation.
Fig. 2A zeigt eine Ausführungsform einer Entnahmevorrichtung 20, die am Hauptkörper 4 befestigt ist. Sie ist ein Sammel behälter, der an einer mit dem Hauptkörper 4 verbundenen Seite ein herkömmliches kostengünstiges Filterelement 22 (z. B. aus Zellulose, Metall oder ähnlichem) mit vorzugsweise größeren nominellen Porendurchmessern als die Membran 2 aufweist. Die Entnahmevorrichtung 20 ist z. B. über einen einfachen Verrastmechanismus 23 an einem Ansatz oder Flansch 24 des Hauptkörpers 4 dicht befestigt. Zwischen dem Verrast mechanismus 23 und dem Rand der Membran 2 ist ein Ventil 24 vorgesehen, das beispielsweise ein einfaches Drehschieber ventil bekannter Bauart sein kann. Bei der Montage bzw. dem Austausch der Entnahmevorrichtung 20 wird bei laufendem Filtrationsbetrieb das Ventil 24 kurzzeitig geschlossen, um ohne Unterbrechung des Filtrationsbetriebes den Umbau vornehmen zu können. Fig. 2A shows an embodiment of a sampling device 20, which is attached to the main body 4. It is a collecting container, which on a side connected to the main body 4 has a conventional inexpensive filter element 22 (e.g. made of cellulose, metal or the like) with preferably larger nominal pore diameters than the membrane 2 . The removal device 20 is, for. B. tightly attached to a shoulder or flange 24 of the main body 4 via a simple locking mechanism 23 . Between the locking mechanism 23 and the edge of the membrane 2 , a valve 24 is provided, which can be, for example, a simple rotary valve of known type. When assembling or replacing the extraction device 20 , the valve 24 is briefly closed while the filtration operation is running, so that the conversion can be carried out without interrupting the filtration operation.
Im folgenden wird die Funktion der Entnahmevorrichtung 20 erläutert. Während des Filtrationsvorganges werden die von der Membran 2 zurückgehaltenen Stoffe entlang der stromaufwärtigen Seite der Membran 2 zu deren Rand in Richtung auf die Entnahmevorrichtung 20 transportiert. Aufgrund der größeren Porenweite des herkömmlichen Filter elementes 22 können die zurückgehaltenen Stoffe durch das Filterelement 22 in den Sammelbehälter 20 gelangen. Wegen der "Totzonenwirkung" des Sammelbehälters 20 ist die Wahrscheinlichkeit für eine Rückkehr der im Sammelbehälter akkumulierten Stoffe durch das Filterelement 22 relativ gering. Der gesamte Raum (Sammelbehälter 20, Spalt 5 und Rückführkanal 6") ist mit Fluid gefüllt. Auf diese Weise findet bei der Entnahmevorrichtung 20 eine Art Filtration statt, bei der die Entnahme der zurückzuhaltenden Stoffe durch die geeignete Kombination von Stromführung (inkl. Totzone = Sammelbehälter 20 und Rückleitungskanal 6), Querströmung und Filtration mit der Membran 2 erreicht wird.The function of the removal device 20 is explained below. During the filtration process, the substances retained by the membrane 2 are transported along the upstream side of the membrane 2 to the edge thereof in the direction of the removal device 20 . Due to the larger pore size of the conventional filter element 22 , the retained substances can pass through the filter element 22 into the collecting container 20 . Because of the "dead zone effect" of the collecting container 20 , the probability of a return of the substances accumulated in the collecting container through the filter element 22 is relatively low. The entire space (collecting container 20 , gap 5 and return channel 6 ") is filled with fluid. In this way, a sort of filtration takes place in the removal device 20 , in which the substances to be retained are removed by a suitable combination of current supply (including dead zone = Collection container 20 and return duct 6 ), cross flow and filtration with the membrane 2 is achieved.
Um die Rückleitung des Fluids in den Hauptstrom Fin zu unterstützen, kann der Rückleitungskanal 6 z. B. mit nicht konstantem, d. h. sich änderndem, Durchmesser ausgebildet werden. Insbesondere kann beispielsweise der Durchmesser des Rückleitungskanals 6 vom Ventil 24 bis zum Einleitungs punkt in den Hauptstrom abnehmen, wodurch sich die Strömungs geschwindigkeit erhöht und der Druck entlang dem Rücklei tungskanal abnimmt. Dies schafft ein gewisses Druckgefälle, das zusätzlich zur Strömungsverengung 3' (bzw. 9' in Fig. 1) die Rückleitung zusätzlich "treibt".In order to support the return line of the fluid into the main flow F in , the return line channel 6 can e.g. B. with a non-constant, ie changing, diameter. In particular, the diameter of the return channel 6, for example, up to the initiation point of the valve 24 to decrease in the main current, the flow speed thereby increases and the pressure decreases along the Rücklei underflow channel. This creates a certain pressure drop, which in addition to the flow restriction 3 '(or 9' in FIG. 1) also "drives" the return line.
Über den im Hauptkörper 4 ausgebildeten Rückleitungskanal 6 gelangt das von den zurückgehaltenen Stoffen wenigstens teilweise, vorzugsweise aber weitgehend befreite Fluid zurück in den Hauptstrom Fin und mit diesem wieder zur Membran 2. Damit ist der Reinigungskreislauf geschlossen. Betrachtet man ein Volumenelement im Fluidstrom, so werden z. B. in einem ersten Durchgang des Reinigungskreislaufes Stoffe an der Membran 2 zurückgehalten, mit Hilfe der Querströmung zur Entnahmevorrichtung 20 transportiert und dort zu einem gewissen Teil deponiert, und das Fluid wird mit im wesentli chen reduziertem Anteil an zurückzuhaltenden Stoffen schließlich in den Hauptstrom zurückgeleitet. Ist der restliche Anteil an zurückzuhaltenden Stoffen im betrachteten Volumenelement noch zu hoch, wiederholt sich der Filtrations vorgang an der Membran 2. Es stellt sich eine Art dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem gleichzeitig und kontinuierlich die Membran 2 die gewünschte Filtration durchführt, die Membran 2 selbsttätig gereinigt wird und die zurückzuhal tenden Stoffe dem Fluidstrom entzogen werden.Via the return duct 6 formed in the main body 4 , the fluid freed from the retained substances at least partially, but preferably largely, returns to the main stream F in and with it back to the membrane 2 . This closes the cleaning cycle. If you consider a volume element in the fluid flow, z. B. in a first pass of the cleaning circuit substances retained on the membrane 2 , transported to the removal device 20 with the aid of the cross flow and deposited there to a certain extent, and the fluid is finally returned to the main stream with a substantially reduced proportion of substances to be retained. If the remaining proportion of substances to be retained in the volume element under consideration is still too high, the filtration process is repeated on the membrane 2 . There is a kind of dynamic equilibrium in which the membrane 2 simultaneously and continuously performs the desired filtration, the membrane 2 is cleaned automatically and the substances to be retained are withdrawn from the fluid stream.
Die Entnahmevorrichtung 20 kann aus Edelstahl, Kunststoff oder anderen jeweils branchen- oder anwendungsüblichen Materialien geschaffen sein.The removal device 20 can be made of stainless steel, plastic or other materials which are customary in the branch or application.
In anderen Ausführungsformen können die Kanäle und/oder die Stromführung nach Bedarf variiert werden. So kann das Filterelement 22 unter einem von 90° verschiedenen Winkel gegen die Querströmung (vq) aus dem Spalt 5 angeordnet werden (vgl. Fig. 2B). Darüber hinaus kann die Eintrittsöffnung in den Sammelbehälter 20 an dessen oberen Ende liegen, so daß ein in ihn gelangter Stoff sich noch besser an seinem Boden absetzen und kaum oder vorzugsweise überhaupt nicht mehr in den Rückleitungskanal 6 zurückkehren kann. Außerdem sind weitere Anströmgeometrien vorstellbar, wie sie in Fig. 2C skizziert sind. Durch entsprechende Umlenkung 26 des Spaltes 5 zum Rückführkanal 6 kann die Strömung in den Sammelbehälter 20 geführt werden.In other embodiments, the channels and / or the current routing can be varied as required. The filter element 22 can thus be arranged at an angle different from 90 ° against the transverse flow (v q ) from the gap 5 (cf. FIG. 2B). In addition, the inlet opening in the collecting container 20 can be located at its upper end, so that a substance that has entered it can settle even better on its bottom and can hardly or preferably not return to the return duct 6 . In addition, further inflow geometries are conceivable, as are sketched in FIG. 2C. The flow can be guided into the collecting container 20 by a corresponding deflection 26 of the gap 5 to the return duct 6 .
Ist die Einströmöffnung in den Sammelbehälter 20 vergleichs weise klein ausgebildet, kann ggf. auf ein Filterelement 22 vollständig verzichtet werden. Das Filterelement 22 hat hauptsächlich die Aufgabe, einen Rückstrom der von der Membran 2 vorher zurückgehaltenen und in den Sammel behälter 20 gelangten Stoffen in den Rückleitungsstrom und den Rückleitungskanal 6 zu unterbinden oder zumindest zu erschweren. Die Wahrscheinlichkeit, daß Teilchen in den Rückleitungsstrom und damit in den Rückleitungskanal 6 zurückgelangen, kann auch durch bauliche Vorkehrungen reduziert werden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 2D skizziert. Mit entsprechenden Leitkörpern 27 und einer konkav gewölbten, zum Spalt 5 hin geneigten Anströmkante 28 sowie einem weiteren Leitblech 29, das zur Anströmkante 28 nur noch einen geringen Spalt 30 offenläßt, läßt sich dies erreichen. Diese Öffnungsgeometrie kann in die Ent nahmevorrichtung 20 integriert werden, so daß an den Anschlüssen und der Verrohrung der Entnahmevorrichtung 20 Standardelemente genutzt werden können. Die in der Entnahmevorrichtung 20 enthaltenen Schikanenelemente 27 und 29 verengen den Eintrittskanal in den Sammelbehälter 20 vom Anschluß 23 auf eine deutlich kleinere Öffnung 30. Die Wahrscheinlichkeit für einen Rückstrom der einmal in den Sammelbehälter 20 gelangten Stoffe durch die Öffnung 30 ist in Näherung proportional dem Verhältnis der Fläche der Öffnung 30 zur Fläche der gesamten Innenwand des Sammelbehälters 20. Man beachte, daß im "eingefahrenen Zustand" der gesamte Raum (20, 5, 6) mit Fluid gefüllt ist und die Entnahme auf einer "Anreicherung bzw. Aufkon zentrierung" der zurückzuhaltenden Stoffe im Sammelbehälter 20 beruht. Dabei wird die Trägheit dieser Stoffe bei deren Transport in die Entnahmevorrichtung 20 ausgenutzt.If the inflow opening in the collecting container 20 is designed to be comparatively small, a filter element 22 can possibly be completely dispensed with. The filter element 22 mainly has the task of preventing or at least complicating a backflow of the substances previously retained by the membrane 2 and into the collecting container 20 into the return flow stream and the return duct 6 . The likelihood that particles get back into the return flow and thus back into the return duct 6 can also be reduced by structural measures. An example of this is sketched in Fig. 2D. This can be achieved with appropriate guide bodies 27 and a concavely curved leading edge 28 inclined towards the gap 5 and a further guide plate 29 which only leaves a small gap 30 towards the leading edge 28 . This opening geometry can be integrated into the removal device 20 so that 20 standard elements can be used at the connections and the piping of the removal device. The baffle elements 27 and 29 contained in the removal device 20 narrow the inlet channel into the collecting container 20 from the connection 23 to a significantly smaller opening 30 . The probability of a backflow of the substances once into the collecting container 20 through the opening 30 is approximately proportional to the ratio of the area of the opening 30 to the area of the entire inner wall of the collecting container 20 . It should be noted that in the "retracted state" the entire space ( 20 , 5 , 6 ) is filled with fluid and the removal is based on an "enrichment or concentration" of the substances to be retained in the collecting container 20 . The inertia of these substances is used during their transport into the removal device 20 .
Die Befestigungsmechanismen des Sammelbehälters 20 können ebenfalls abgewandelt werden. Gewinde- und/oder Klemm verbindungen sind verwendbar, solange natürlich die Dichtigkeit der Verbindung gewährleistet ist.The fastening mechanisms of the collecting container 20 can also be modified. Threaded and / or clamp connections can be used as long as the tightness of the connection is guaranteed.
Bei einer Filtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise mehr als eine Entnahmevorrichtung 20, nämlich mindestens zwei oder mehr Entnahmevorrichtungen verwendet. Im Falle von vier Entnahmevorrichtungen sind diese an vier Seiten symmetrisch angeordnet. Die Nutzung von mehr als einer Entnahmevorrichtung stellt auch sicher, daß bei Wartungsarbeiten (wie Austausch etc.) der Entnah meprozeß und damit die Filtration an der Membran 2 sowie deren Reinigung weitergeht.A filter device according to the present invention preferably uses more than one extraction device 20 , namely at least two or more extraction devices. In the case of four removal devices, these are arranged symmetrically on four sides. The use of more than one extraction device also ensures that the maintenance process (such as exchange, etc.) of the extraction process and thus the filtration on the membrane 2 and its cleaning continue.
Das Funktionsprinzip der in dieser Anmeldung beschriebenen Entnahmevorrichtung stellt eine Art zusätzlicher Filtration dar, die auch bei Bedarf als eigenständiges und/oder allei niges Filtrationsprinzip genutzt werden kann. Beispielsweise kann bei geeigneter Auslegung (Skalierung, Kanalführung etc.) in einem Kreislauf des Fluidstroms die Massenträgheit von Stoffen im Fluid, die dem Fluid entzogen werden sollen, genutzt werden, um diese Stoffe in "Totzonen" zu sammeln. Dabei muss an der Stelle, an der der Kreislauf beginnt, ein erhöhter Strömungswiderstand im Ausflußkanal für das abgereicherte Fluid eingerichtet werden (z. B. mittels Membranen, Schikanenelemente, eines nicht konstanten Kanal durchmessers etc.) und ggf. kann die Entnahmevorrichtung auch als Zentrifugenfilter ausgebildet sein.The principle of operation of those described in this application Withdrawal device provides a kind of additional filtration represents, if necessary, as an independent and / or allei Filtration principle can be used. For example with a suitable design (scaling, ducting etc.) inertia in a circuit of the fluid flow of substances in the fluid that are to be extracted from the fluid, be used to collect these substances in "dead zones". At the point where the cycle begins, an increased flow resistance in the outflow channel for the depleted fluid can be set up (e.g. by means of Membranes, baffle elements, a non-constant channel diameter etc.) and if necessary the removal device also be designed as a centrifuge filter.
Fig. 3 zeigt, daß die einzelnen Elemente auch gewellte, d. h. nicht-planare Oberflächen aufweisen. In Fig. 3A ist das Schikanenelement 7 gewellt bzw. gerippt ausgebildet, während der Hauptkörper 4 noch eine glatte Wand hat. Selbstverständlich kann auch der Hauptkörper 4 gewellt sein. In Fig. 3B ist die Unterseite 12 des Hauptkörpers gewellt. An Bereichen mit größeren Abständen zum jeweils benachbarten Element können dabei gezielt Zonen mit turbu lenter Strömung ausgebildet werden. Selbstverständlich kann auch die Membran 2 gewellt sein. Fig. 3 shows that the individual elements also have corrugated, ie non-planar surfaces. In Fig. 3A, the baffle element 7 is corrugated or ribbed, while the main body 4 still has a smooth wall. Of course, the main body 4 can also be corrugated. In Fig. 3B, the bottom 12 of the main body is corrugated. Zones with turbulent flow can be specifically formed in areas with greater distances from the adjacent element. Of course, the membrane 2 can also be corrugated.
Fig. 4 zeigt, wie ein Schikanenelement schalenartig in den Hauptkörper 4 eingebaut ist. Der Hauptkörper 4 weist mindestens zwei, hier drei in den Zufuhrkanal 3 hineinragende Teile 31 eines Innengewindes auf, wobei die radial nach innen weisenden Flächen 32 das Innengewinde bilden. Ein rotationssymmetrisches Schikanenelement 33 verfügt seiner seits über ein entsprechendes Außengewinde und ist mit dem Innengewinde 32 verschraubt. Weitere Schikanenelemente, wie z. B. das Schikanenelement 30, sind ebenfalls mit korres pondierenden Gewinden versehen. Diese schalenartige Struktur kann je nach Anwendung beliebig erweitert werden. FIG. 4 shows how a baffle element is built into the main body 4 like a shell. The main body 4 has at least two, here three parts 31 of an internal thread projecting into the feed channel 3 , the surfaces 32 pointing radially inwards forming the internal thread. A rotationally symmetrical baffle element 33 has a corresponding external thread and is screwed to the internal thread 32 . Other baffle elements, such as. B. the baffle element 30 are also provided with corresponding bonding threads. This shell-like structure can be expanded as required depending on the application.
Statt die Schikanenelemente wechselseitig zu verschrauben, können sie natürlich auch mit anderen Befestigungsvorrich tungen verwendet werden. Beispielsweise können sie über Stifte und entsprechend ausgebildete Nuten in den korrespon dierenden Teilen (Hauptkörper und Schikanenelement) einfach eingesetzt und verrastet werden. Die beiden erwähnten Mecha nismen zum Einbau der Schikanenelemente schaffen eine hohe Flexibilität bei Wartung und Austausch. Insbesondere können die Schikanenelemente und natürlich auch - falls benötigt - der Hauptkörper je nach Verfahrensbedingungen, verwendetem Fluid usw. gegen andere Komponenten ausgetauscht werden. Das sphärische Schikanenelement 30 wird mit Hilfe von Vor sprüngen beispielsweise am Schikanenelement 33 verrastet.Instead of screwing the baffle elements alternately, they can of course also be used with other fastening devices. For example, they can be easily inserted and locked into place in the corresponding parts (main body and baffle element) using pins and appropriately designed grooves. The two mechanisms mentioned for installing the baffle elements create a high degree of flexibility in maintenance and replacement. In particular, the baffle elements and of course - if required - the main body can be exchanged for other components depending on the process conditions, the fluid used, etc. The spherical baffle element 30 is locked with the help of jumps before, for example on the baffle element 33 .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 5 dargestellt ist, wird das sphärische Schikanenelement 9 auf einer Feder 35 gelagert, die ihrerseits am Schikanen element 8 befestigt ist. Durch die Federkonstante der Feder 35 läßt sich auch eine Durchflußregulierung realisieren. Tritt im einströmenden Fluid ein Druckstoß auf, so wird das sphärische Schikanenelement 9 gegen die Kraft der Feder 35 in Richtung auf die Membran 2 verschoben, wodurch der Durchflußkanal zwischen dem sphärischen Schikanenelement 9 und dem Schikanenelement 8 verengt wird. Auf diese Weise wird eine im wesentlichen gleichmäßige Fluidzufuhr zur Membran 2 realisiert. Außerdem wird die Membran gegen Druckstöße geschützt, die sie beschädigen und somit auch zu einer Unterbrechung der Filtration führen könnten.In a further embodiment of the invention, which is shown in Fig. 5, the spherical baffle element 9 is mounted on a spring 35 which in turn is attached to the baffle element 8 . Flow regulation can also be achieved by the spring constant of the spring 35 . If a pressure surge occurs in the inflowing fluid, the spherical baffle element 9 is displaced against the force of the spring 35 in the direction of the membrane 2 , as a result of which the flow channel between the spherical baffle element 9 and the baffle element 8 is narrowed. In this way, an essentially uniform fluid supply to the membrane 2 is realized. In addition, the membrane is protected against pressure surges that damage it and could therefore also lead to an interruption of the filtration.
Die oben beschriebene Filtervorrichtung kann in ihren einzelnen Bestandteilen beliebig dimensioniert werden, um sie an die jeweiligen Anwendungszwecke anzupassen. Das Prinzip der Erfindung ist durchaus auch auf großtechnische Anwendungen, wie z. B. Abwasserreinigung anwendbar.The filter device described above can in their individual components can be dimensioned as desired, to adapt them to the respective application purposes. The The principle of the invention is also based on an industrial scale Applications such as B. Wastewater treatment applicable.
Die Filtervorrichtung mit dem Hauptkörper und den Schikanen elementen kann auch in ein Gehäuse aus Edelstahl oder anderen Materialien eingebaut werden. Dieses Gehäuse kann über standardmäßige Anschlüsse in übliche Rohrleitungen eingesetzt werden.The filter device with the main body and the baffles elements can also be in a stainless steel housing or other Materials are installed. This housing can over standard connections used in standard pipelines become.
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