DE10338523A1

DE10338523A1 - Filtration mit pulsierenden Verdrängerpumpen

Info

Publication number: DE10338523A1
Application number: DE2003138523
Authority: DE
Inventors: Bernd Penth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-24

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration beschrieben. Zur Erzeugung des bei der Filtration erforderlichen Druckes wird eine pulsierende Verdrängerpumpe verwendet. Während der Druckphase der Pumpe wird der Pulsationsdämpfer mit Filtrat gefüllt. Die Rückspülung des Filters geschieht während den Saugphasen der Pumpe mittels des im Pulsationsdämpfer gespeicherten Filtrates.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die als Feinfiltration bezeichnete und insbesondere die als Membranfiltration bezeichnete Filtration und umschließt dort begrifflich die Anwendung der, in Abhängigkeit von der Größe der abzutrennenden Teilchen, mit den Begriffen Ultrafiltration, Mikrofiltration und Nanofiltration beschriebenen Filtrationsverfahren.

Membranfiltration wird in der Regel als Oberflächenfiltration ausgeführt, die abzutrennenden Teilchen dringen also nicht oder nur begrenzt in die Membran ein. Die demnach auf der Oberfläche der Membran zurückgehaltenen Teilchen sammeln sich dort und bilden auf der Oberfläche einen oft als Sekundärmembran bezeichneten Kuchen, der den Filtrationsfluß im Laufe einer dicker werdenden Sekundärmembran zunehmend behindert. Zur Verminderung dieser Deckschicht werden solche Membranfilter deshalb im Cross-Flow Betrieb gefahren, wobei durch tangentiale Überströmung der Membran diese ständig auf der Oberfläche abgereinigt wird und das abgelöste Deckschichtmaterial im Retentat verbleibt und im Kreislauf geführt wird. Weiterhin ist es Stand der Technik, die Ablösung der Deckschicht allein oder ergänzend zum Cross-Flow Betrieb durch Rückspülimpulse zu forcieren. Während dieses Rückspülimpulses wird die Filtrationsrichtung umgekehrt, es fließt also Filtrat durch die Membran zurück ins Retentat. Technisch durchgeführt wird eine solche Rückspüleinrichtung meist entweder durch einen, mittels Flüssigkeitspumpen oder Gaszufuhr, temporär erzeugten Druck.

Der Cross-Flow Betrieb ist technisch relativ einfach realisierbar durch Verwendung von Pumpen mit ausreichend hoher Flüssigkeitsumwälzung. Gleichzeitig ist ein gewisser Mindestdruck erforderlich, damit entsprechend dem notwendigen Druckgefälle durch die Membran ein ausreichender Filtratfluß stattfindet. Da die einzutragende Energie für die Pumpe sich unter anderem als Produkt aus Flüssigkeitsmenge und aufzubauendem Druck berechnet, ist diese Umwälzung allerdings energieaufwendig. Nachteilig ist aber auch die Tatsache, dass der erwünschte Cross-Flow Effekt nur begrenzt stattfindet, da die Strömung in den membrannahen Bereichen, also dort, wo sie eigentlich wirken soll, am stärksten reduziert ist. In einem Membranrohr ist die Strömungsgeschwindigkeit also in der Rohrmitte wesentlich höher als an der Membranwandung. Verwendet man dickere Membranrohre tritt dieser Nachteil in den Hintergrund, da sich in dickeren Rohren größere Reynoldszahlen einstellen, die zu turbulenten Strömungen führen, allerdings nimmt die umzuwälzende Flüssigkeitsmenge im Verhältnis zur Membranfläche quadratisch zu. Verwendet man dünnere Rohre stellen sich kleinere Reynoldszahlen ein, so dass sich laminare Strömungen mit niedrigem Cross-Flow Reinigungseffekt einstellen. Zudem ist die maximal erreichbare Strömungsgeschwindigkeit in dünneren Rohren kleiner, da sich ein unvorteilhafter Druckabfall über die Rohrlänge einstellt.

Der Reinigungsbetrieb durch Rückspülung erfordert eine recht aufwendige Technik zum Erzeugen des Rückspüldruckes und zum Öffnen und Schließen der Ventile für das Rückspülmedium.

Ziel der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren zu finden, mit dem sich die Bildung einer Sekundärmembran auf technisch einfache Weise und energieoptimiert verhindern lässt.

Dieses Ziel wurde dadurch erreicht, dass zum Pumpen des zu filtrierenden Mediums eine pulsierende Verdrängerpumpe und zusätzlich ein Pulsationsdämpfer und ein Überströmventil verwendet wird.
Eine meist unerwünschte Eigenschaft von oszillierenden Verdrängerpumpen ist das Pulsieren des beim Pumpen entstehenden Förderstromes. Ein Rückfluss des Förderstromes wird durch die Ventile am Pumpeneingang und am Pumpenausgang verhindert. Dieses Pulsieren des Förderstromes ist, wenn der Förderstrom nicht frei, sondern gegen ein dem Fluß entgegen stehendes Hemmnis gefördert wird, gleichzeitig mit einem Pulsieren des Druckes verbunden.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird in einer Cross-Flow Anordnung eine Membranpumpe verwendet. Der Pumpenausgang ist an eine Membranmodul angeschlossen, an dessen Retentatausgang sich ein Überströmventil als Druckhalteventil oder eine Drossel oder zumindest eine Düse befindet. Während der Druckphase tritt ein Teil des filtrierten Retentates als Filtrat durch die Membran. Dabei dringt ein Teil des Filtrates in einen Pulsationsdämpfer oder einen Windkessel ein, ein weiterer Teil des Filtrates öffnet ein Überströmventil und tritt als Filtrat aus.
Während der Saugphase der Pumpe wird auf diese Weise auf der Membranrückseite ein Überdruck erzeugt, der eine Umkehr der Fließrichtung des Filtrates und dadurch eine Abreinigung der Membran bewirkt.
Auf der Membranrückseite kann statt der Kombination eines Dämpfers mit einem Überströmventil ein permanenter Druck angelegt werden. Der permanente Druck, der kleiner sein soll als der Pumpendruck, den die Membranpumpe während der Druckphase erzeugt, kann beispielsweise durch entsprechende erhöhte Schlauchführung des Filtratablaufes statisch erzeugt werden.
Der restliche Teil des druckbeaufschlagten Retentates tritt durch die Drossel oder das Druckhalteventil und wird im Kreislauf geführt.
In einer weiteren einfacheren Ausführung der vorliegenden Erfindung wird in einer Cross-Flow Anordnung eine Pumpe verwendet, bei der das Auslassventil der Pumpe ständig geöffnet ist oder völlig fehlt. Der Pumpenausgang ist an eine Membranmodul angeschlossen, an dessen Retentatausgang sich ein Überströmventil als Druckhalteventil befindet. Während der Saugphase der Pumpe wird auf diese Weise auf der Membranoberfläche im Verhältnis zu der Membranrückseite und auch gegenüber dem Atmosphärendruck ein Unterdruck erzeugt, der eine Abreinigung der Membran bewirkt. Gleichzeitig kann im voranstehend beschriebenen Sinn auf der Membranrückseite ein permanenter Druck angelegt werden.
Merkmale der vorliegenden Erfindung sind

– Es wird nur ein relativ geringer Cross-Flow erzeugt. Dieser dient in erster Linie der Kreislaufführung des Retentates, nicht der mechanisch-dynamischen Oberflächenabreinigung. Es ist nur ein geringer Energieeinsatz erforderlich.
– Die Membranreinigung kann während des Betriebes entsprechend den Anforderungen variiert werden durch Verändern des Verhältnisses Hubdauer zu Druckdauer bei entsprechend steuerbaren Pumpenausführungen.
– Die Membranreinigung kann während des Betriebes entsprechend den Anforderungen variiert werden durch Verstellen der Rückhaltekraft des Überströmventiles im Retentatkreislauf
– Die Membranreinigung kann auch während des Betriebes entsprechend den Anforderungen variiert werden durch Verstellen der Rückhaltekraft des Überströmventiles im Filtratablauf und durch Verändern des Druckes im Pulsationsdämpfer im Filtratablauf.
– Bei der Membranfiltration keramischer Dispersionen wird die bei Kreiselpumpen unvermeidliche starke Abrasion umgangen.
– Es können auch hochkonzentrierte Dispersionen aufgearbeitet oder durch Aufkonzentration hergestellt werden.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration, gekennzeichnet dadurch, dass zur Erzeugung des bei der Filtration erforderlichen Druckes eine pulsierende Verdrängerpumpe verwendet wird und eine Rückspülung des Filters mit der Pulsation der Verdrängerpumpe gekoppelt ist.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach dem voranstehenden Anspruch, gekennzeichnet dadurch, dass es sich um Feinfiltration, Membranfiltration, Mikrofiltration. Ultrafiltration oder Nanofiltration handelt.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass sich in der Fließrichtunug des Retentates am Ausgang des Filtrationsmodules eine Drossel oder ein einstellbares Überströmventil befindet.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass sich in der Fließrichtung des Filtrates ein Pulsationsdämpfer und nachgeschaltet ein einstellbares Überströmventil befindet.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass die pulsierende Verdrängerpumpe mit fehlendem oder geöffnetem Ausgangsventil arbeitet.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch. dass auf der Filtratseite ein permanenter Druck erzeugt oder als Gasdruck oder als Flüssigkeitsdruck angelegt wird, der während der Saugphase der oszillierenden Verdrängerpumpe gegenüber dem Druck im Retentat als Überdruck und während der Druckphase der oszillierenden Verdrängerpumpe als Unterdruck auftritt und dadurch die Fließrichtung des Filtrates jeweils umgekehrt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass der auf der Filtratseite erzeugte Überdruck durch statische Maßnahmen realisiert wird.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass der auf der Filtratseite erzeugte Überdruck durch Komprimieren eines Gases im Pulsationsdämpfer während der Druckphase der oszillierenden Verdrängerpumpe realisiert wird.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren zur Filtration von Emulsionen, Dispersionen und insbesondere abrasiven Dispersionen verwendet wird.
Verfahren und Vorrichtung zur kreislaufgeführten Oberflächenfiltration nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren zur Diafiltration und zum Aufkonzentrieren von Emulsionen, Dispersionen und insbesondere abrasiven Dispersionen verwendet wird.