DE2814326A1

DE2814326A1 - Poroese abstuetzung zur verwendung in einer trenneinrichtung mit hohlfasern

Info

Publication number: DE2814326A1
Application number: DE19782814326
Authority: DE
Inventors: Douglas Norman Dean; Earl Anderson Mclain
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1977-04-08
Filing date: 1978-04-03
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2814326C2; AU516562B2; IT1156154B; NL7803657A; BE865769A; AU3404178A; CA1086661A; JPS53125977A; FR2386326B1; IT7848767A0; FR2386326A1; NL181909B; GB1566675A; ES468619A1; NL181909C; JPS5931361B2

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine poröse Abstützung zur Verwendung in einer Trenneinrichtung mit Hohlfasern.

In der Technik sind Trenneinrichtungen mit Hohlfasern wohl bekannt. Ausserdem ist eine Vielzahl von Hohlfasermembranen bekannt, die selektiv permeabel für verschiedenartige Komponenten fluider Mischungen, das heisst flüssiger oder gasförmiger Medien sind, wenn sie über atmosphärischem Druck behandelt werden. Darüberhinaus sind Einrichtungen wohl bekannt, die dieselben Membrananordnungen verwenden. In der Regel besitzen diese Einrichtungen Hohlfaserenden, die in einem Dichtungsmittel eingebettet sind, das üblicherweise als Rohrplatte ("tubesheet") bezeichnet wird. Diese Rohrplatte, die als Dichtung rund um das Äussere jedes Faserendes wirkt, trennt die mit dem Äusseren der Fasern in Verbindung stehenden Zonen von der Zone an der entgegengesetzten Seite der Rohrplatte ab, die ihrerseits in Verbindung mit den hohlen Innenräumen oder Lumen der Faser steht.

Derartige Trenneinrichtungen werden in grossem Umfang bei Trennverfahrenverfahren, wie z. B. bei der umgekehrten Osmose oder Ultrafiltration einer Salzlösung oder von Brackwasser zur Erzeugung von Trinkwasser oder bei Gastrennverfahren oder O-xidationsverfahren verwendet. Bei manchen dieser Verfahren werden vergleichsweise hohe Drucke, beispielsweise von 28 bis 112 kg / cm , angewandt, um die gewünschte Trennung zu bewerkstelligen. Es ist jedoch bekannt, dass, wenn die Rohrplatten der Trenneinrichtungen hohen Druckdifferentialen über längere Zeitab-

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schnitte während dem Betrieb ausgesetzt werden, eine Fonnveränderung der Rohrplatten verursacht wird, die aufgrund der Spannung und des möglichen Faserbruches zum Ausfall oder zum Lecken aufgrund der Rissbildung in den Rohrplatten führen, es sei denn, dass dieselben mechanisch abgestützt werden.

Eine Lösung dieses Problems wird in der US-PS 34 42 008 offenbart, wobei eine perforierte Metallplatte in der Nähe der Niederdruckseite der Rohrplatte vorgesehen ist. Die Verwendung dieser perforierten Metallplatte schafft eine Abstützung für die Rohrplatte und sorgt ausserdem für eine grössere Wirksamkeit und Sparsamkeit aufgrund der niedrigeren Kosten und des Bedarfes für Harz in der Rohrplatte und eine bessere Faserverwendung, da die Rohrplatte wesentlich dünner sein kann, als wenn sie ohne perforierte Metallplatte wäre.

Wie in der US-PS 37 02 658 festgestellt wird, vermindert eine perforierte Metallplatte die Wirksamkeit einer Trenneinrichtung dadurch, dass sie die Öffnungen einer beträchtlichen Anzahl von Fasern blockiert. Ausserdem wurde festgestellt, dass es unzweckmässig ist, die Platte mit einer grösseren Anzahl von ausreichend nahe beieinander angeordneten Perforationen herzustellen, um die Blockierung der Faseröffnungen zu vermeiden. Diese US-PS zeigt die Verwendung einer inneren, porösen, nicht kompressiblen Abstützung in der Nähe der Seite der Rohrplatte mit niedrigerem Druck, so dass das während der Arbeitsweise der Einrichtung auf die Rohrplatte ausgeübte Druckdifferential über die Abstützung auf die Vorrichtung übertragen wird. Es wird gezeigt, dass diese Abstützung ein Aufquellen (creep), ein

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kaltes Fliessen und eine bleibende Verformung der Rohrplatte eliminiert und es möglich macht, beträchtliche Einsparungen zu erzielen, da die Dicke der Rohrplatte verringert werden kann, wodurch eine Verminderung in dem Druckgefälle innerhalb der verwendeten Fasern oder Kapillaren erreicht wird.

Die porösen Abstützungen, die gemäss oben genannter US-PS aus gebundenem Sand, keramischem Material oder gesinterten Metallteilen oder aus geflochtenem Drahtnetz oder Drahtsieb hergestellt werden können, zeigen jedoch ausserdem Nachteile in der Hinsicht, dass ein gewisser Verlust an Leistungsfähigkeit erwartet wird. Diesbezüglich wird offenbart, dass die wirksame Breite der Flächensegmente der Abstützung etwa 2-bis etx^a 50-mal den durchschnittlichen Innendurchmesser der verwendeten Hohlfasern oder Kapillaren ausmacht. Infolgedessen wird die kleinste Dimension der Flächensegmente in allen Fällen mindestens etwa zweimal so breit sein, wie der Innendurchmesser der verwendeten Fasern, wodurch die offenen Enden einiger Fasern in der Einrichtung vollständig blockiert werden. Diese Blockierung, die noch stärker wird, wenn breitere wirksame Flächensegmente mit derselben Fasergrösse verwendet werden, verursachen einaiRentabi1itatsverlust, insbesondere bei höheren Betriebsdrücken.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine poröse Abstützung zur Verwendung in einer Trenneinrichtung mit Hohlfasern, bei der sich die Hohlfasern durch eine Rohrplatte hindurch erstrecken und ihre offenen Enden an der Rohrplattenseite mit niedrigerem Druck enden, wobei die Abstützung ein

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inneres, nicht kompressibles Bauteil enthält, um eine Formveränderung der Rohrplatte zu vermindern und ihre diesbezügliche Lage innerhalb der Trenneinrichtung zu gewährleisten, wenn ein Druckdifferential auf die Rohrplatte ausgeübt wird, und wobei die Abstützung in der Nähe der Rohrplattenseite mit niedrigerem Druck angeordnet sowie dafür vorgesehen ist, eine mit dem Druckdifferential übereinstimmende Kraft auf die Trenneinrichtung zu übertragen, und wobei die Abstützung Flächensegmente aufweist, die in Berührung mit der Stirnfläche der Rohrplatte stehen, und ist gekennzeichnet dadurch, dass die durchschnittliche wirksame Breite der Flächensegmente geringer ist als etwa der doppelte durchschnittliche Innendurchmesser der Hohlfasern und dass die Gesamtzone dieser Flächensegmente 15 bis 70 % der Gesamtoberfläche der Abstützung umfasst.

Die Verwendung einer Abstützeinrichtung ermöglicht es, die Wirtschaftlichkeit einer Trenneinrichtung zu verbessern, da die Schichtdicke der Rohrplatte verringert werden kann, wodurch ausserdem eine Verminderung im Druckgefälle innerhalb der in der Rohrplatte eingebetteten Fasern erzielt wird. Darüberhinaus kann die Auswahl der für den Aufbau der Rohrplatte verwendeten Materialien erweitert werden. Ausserdem kann die Abstützung vergleichsweise dünn sein, im Vergleich zu der Dicke der Rohrplatte, die abgestützt werden soll, wodurch die .Notwendigkeit verringert wird, viele existierende Trenneinrichtungen zu verändern, um das gleiche aufzunehmen. Die vorliegende Erfindung bietet darüberhinaus einen besonderen ökonomischen Vorteil darin, dass die Produktivität, beispielsweise der Ausstoss an Trinkwasser in einer Entsalzungstrennanlage pro Zeiteinheit mit der Rohrplattenabstützung, wie sie im nachhinein

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im Detail beschrieben wird, verbessert wird.

Die nachfolgenden Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wiedergeben, verdeutlichen die erfindungsgemässe poröse Abstützung und deren Verwendung in bekannten Trenneinrichtungen.

Figur 1 ist eine Längsschnittansicht einer "einendigen" ("single-ended") Trenneinrichtung gemäss einer Ausführungsfomn der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 ist eine Längsschnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, nämlich einer "doppelendigen¹¹ ("doubleended") Trenneinrichtung, bei der zwei abgestützte Rohrplatten in der Weise angeordnet sind, dass deren Niederdruckseiten entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.

In Figur 1 wird eine Trenneinrichtung vom allgemein bekannten einendigen Typ gezeigt, das heisst, eine Trenneinrichtung, bei der die offenen Enden der Fasern allesamt in einer einzigen Rohrplatte enden, die an einem offenen Ende des Gehäuses angeordnet ist, das seinerseits die Faser/Rohrplattenanordnung aufnimmt. Die Trenneinrichtung 10 enthält ein Gehäuse oder einen Mantel 11 mit einem offenen Ende 11 a und einem geschlossenen Ende 11 b sowie einer Vielzahl von Hohlfasern 12, deren Enden in einem Rohrplattenbauteil 13 (tubesheet member) eingebettet sind. Die Hohlfasern sind in der Weise geführt, dass sie ein U-förmiges Faserbündel bilden, was nicht im einzelnen gezeigt wird. An ihren Enden sind die Fasern offen und schliessen bündig mit einer äusseren Fläche 13 a der Rohr-

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platte 13 ab, um eine Verbindung zwischen dem Inneren der Hohlfasern 12 und einer Permeatsammelkammer 14 zuzulassen. Eine poröse Abstützung 15 ist in der Kammer 14 angeordnet und schafft eine Lagerung (bearing) oder eine Abstützfläche 15 a, die ihrerseits bündig mit der äusseren Fläche 13 a der Rohrplatte 13 abschliesst. Innerhalb des Gehäuses 11 wird ein Endverschluss 21, der die Abstützung 15 seinerseits abstützt, mit Hilfe eines Sicherungsringes 22 gehalten, der in einer Aussparung 23 im Gehäuse 11 angeordnet ist. 0-förmige Ringe 24 und 25 sind in Aussparungen 24 a und 25 a angeordnet, die in der Umfangsfläche der Rohrplatte 13 und des Endverschlusses 21 vorgesehen sind, um die Rohrplatte 13 und den Endverschluss gegenüber dem Gehäuse 11 abzudichten. Ein unter hohem Druck stehendes fluides Medium wird durch einen Eingang 17 in ein perforiertes Rohr 16 eingeleitet und strömt radial nach aussen durch die Öffnungen 18 gegen die Hohlfasern 12. In der Regel ist das Einlassrohr 16 zentral innerhalb des Hohlfaserbündels angeordnet und hat ein Ende 16 a, das in der Rohrplatte 13 mit diesem gegenüber dem fluiden Medium dicht eingebettet ist, so dass das eingespeiste Wasser nicht in die Permeatsammelkammer 14 eindringen kann. Das gesamte verworfene fluide Medium oder Konzentrat (das verbleibende fluide Medium, nachdem das Permeat durch die Faserwandungen hindurchgelangt ist) verlässt das Gehäuse 11 durch den Auslass -19.- Das Permeat, das heisst, der Teil des fluiden Mediums, der durch die Wände der Hohlfasern 12 hindurchgelangt, wird durch die Innenräume der Fasern 12 durch die Rohrplatte 13 und aus den offenen Faserenden geholt und durch die poröse Abstützung 15 perkoliert und mit nicht gezeigten üblichen Sammeleinrichtungen durch die Auslassleitung 20 für das Permeat abgezogen.

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Es wird vermerkt, dass eine befriedigende Abstützung der Rohrplatte 13 dadurch erhalten werden kann, dass man die Abstützung 15 (die die gleiche Grosse oder eine kleinere Grosse als die Rohrplatte einnehmen kann) zwischen den Endabschluss 21 und der abzustützenden Aussenfläche 13 a der Rohrplatte einbaut, wodurch der Raum oder die Kammer vollständig angefüllt wird, der durch diesen Endabschluss, durch die Rohrplatte und das Gehäuse mit der Abstützung begrenzt wird. Wenn das Gerät in dieser Art und Weise aufgebaut wird, kann der Endverschluss mit einer Wassersammeieinrichtung versehen sein, z. B. Kanäle oder Einbuchtungen, die auf deren Oberfläche angeordnet sind und die ihrerseits in Berührung mit der Abstützung stehen, um einen direkten Strom des Permeats von der Abstützung zu der Permeatauslassleitung 20 der Einrichtung zu schaffen. Die Oberfläche der Abstützung 15, die in Nachbarschaft zu dem Endabschluss angeordnet ist, kann selbst mit Ausbuchtungen oder Kanälen versehen sein, da, wo die Abstützung eine geeignete Dicke aufweist, um den Strom des Permeates zu der Permeatauslassleitung weiterzuleiten. Alternativ kann ein Drahtgitter, das ein oder mehrere Drahtgitter derselben oder einer verschiedenen Maschengrösse aufweist, oder eine durchbohrte oder perforierte Metallplatte zwischen dem Endabschluss 21 und der Abstützung 15 angeordnet werden, um einen raschen Abfluss des Permeates zu besorgen, das durch die Poren der Abstützung zu der Permeatauslassleitung perkoliert wird.

Ausserdem kann die beschriebene Abstützanordnung der Erfindung in doppelendigen Trenneinrichtungen verwendet werden, das heisst, dass dabei die Enden einer jeden Faserlänge in entgegengesetzten, im Abstand angeordneten Rohrplatten en-

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den. Infolgedessen werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die verbesserten Abstützungen in sogenannten doppelendigen Trenneinrichtungen mit einer zentral angeordneten, perforierten Einlass- oder Auslassröhre verwendet.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können Trenneinrichtungen in der Weise verwendet werden, dass zwei Rohrplatten in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und das Permeat, das aus den in den Rohrplatten eingebetteten Fasern herauskommt, durch übliche Sammeleinrichtungen aufgesammelt wird. Ein derartiges Gerät wird in Figur 2 gezeigt, bei der jede der zwei Rohrplatten durch ein separates Abstützteil gestützt wird und eine Abstandsvorrichtung in der Weise dazwischen angeordnet ist, dass das fluide Medium während dem PermeationsVorgang durch die Hohlfaser durch die Abstützungen perkoliert und aus einer üblichen Permeatsammelkammer und einem Permeatauslass abgezogen wird. Das Gerät ist druckausgeglichen (pressure balanced), das heisst, die Drücke, die auf die Hochdruckseiten der Rohrplatten ausgeübt werden, werden über die Abstützungen aufeinander und nicht direkt auf die Trenneinrichtung, wie in der Ausführungsform der Figur 1, übertragen, wodurch in wirksamer Weise die auf die Rohrplatten ausgeübten Drucke ausgeglichen werden. Will man dagegen die benachbarten Rohrplatten mit einem einzigen Abstützungsbauteil abstützen, sollte dieses Bauteil eine grössere Dicke aufweisen, um einen adäquaten Durchfluss und Abfluss des Permeates aus dem Gerät zu besorgen. Alternativ können Schlitze oder Öffnungen in dem Abstützbauteil angeordnet werden, eine Beseitigung des Permeats aus den üblichen Abstützbauteilen zu beschleunigen.

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In Figur 2 wird eine Trenneinrichtung 26 gezeigt, die ein Gehäuse 27 mit zwei entgegengesetzten offenen Enden 26 a
aufweist. Eine Vielzahl von Hohlfasern 28, 28', die Faserbündel 28 a und 28 b bilden, sind in dem Gehäuse angeordnet. Die Fasern in jedem Bündel weisen eine U-Form auf
(nicht gezeigt), und ihre offenen Enden sind in den Rohrplatten 29 und" 29' in der Weise eingebettet, dass die
offenen Enden bündig mit den Aussendruckseiten 29 a abschliessen, die durch die Rohrplatten 29 und 29' gebildet werden. Die Aussenseiten der Rohrplatten 29 und 29' sind
entgegengesetzt zueinander angeordnet und bilden zwischen sich eine Permeatsaratnelkammer 31. Wandbauteile 30 und 30' sind wahlweise dafür vorgesehen, die nicht eingezeichneten, geschlungenen Faserenden abzustützen. Poröse Abstützungen 32 und 32' schaffen Lagerungs- oder Abstützflächen 32 a, 32 a¹, die mit den äusseren Flächen 29 a der Rohrplatten
29 bzw. 29' in Verbindung stehen und bündig mit ihnen abschliessen und einen Teil der Permeatsammelkammer 31 belegen. Perforierte Permeatsammelplatten 33 bzw. 33' sind
wahlweise innerhalb der Kammer 31 angeordnet und in Nachbarschaft zu den porösen Abstützungen 32 bzw. 32' angebracht. Die Sammel- oder Kollektorplatten 33, 33* sind entgegengesetzt zueinander angeordnet und werden in einem relativen Abstand zueinander gegen die Abstützbauteile 32 bzw. 32'
durch Abstützgestänge (means of stay rods) gehalten, wobei einige derselben mit Ziffer 34 wiedergegeben werden. Endverschlussteile 35 bzw. 35' werden innerhalb des Gehäuses 27 durch Spannringe 36 bzw. 36' gehalten, die innerhalb
von Aussparungen 37 bzw. 37' innerhalb der Gehäusewand 27 festgehalten werden. 0-förmige Ringe 38 bzw. 38' und 39 bzw. 39' dichten die Rohrplatte 29 bzw. 29' und die Endverschluss-

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teile 35 bzw. 35' gegenüber dem Gehäuse 27 ab. Ein unter hohem Druck stehendes fluides Medium wird in jede der perforierten Einlassleitungen 40, 40* durch die Eingänge 41, 41' eingespeist, wie durch die Pfeile angedeutet. Vorzugsweise gelangt das fluide Medium unter dem gleichen oder im wesentlichen gleichen Druck in die Leitungen, um die Rohrplatten einem ausgeglichenen Druck auszusetzen. Die Leitungen werden durch die Endverschlussteile 35 bzw. 35' und die Wandbauteile 30 bzw. 30' in einer gegenüber dem fluiden Medium dichten Art und Weise geführt. Das fluide Medium strömt durch die Öffnungen 42, 42' in die Einlassleitungen radial nach aussen durch die Faserbündel. Die Öffnungen 42, 42' können die Form von Schlitzen einnehmen, die in bestimmten Abständen entlang der Länge der Leitungen angeordnet sind, welche zwischen den Wandbauteilen 30, 30·' und den Rohrplatten 29, 29' herausragen. Die Leitungen 40 bzw. 40' sind zentral innerhalb der Faserbündel angeordnet, und ein geschlossenes Ende derselben ist in den Rohrplatten 29 bzw. 29' in einer gegenüber dem fluiden Medium dichten Art und Weise dergestalt eingebettet, dass das eingespeiste fluide Medium sich nicht mit dem Permeat in der Sammelkammer 31 mischt. Das gesamte verworfene fluide Medium oder das Konzentrat fliesst entlang einem Zwischenraum 27 a, der zwischen den Rohrbündeln und einer inneren Oberfläche des Gehäuses 27 liegt, und tritt aus dem Gehäuse über die Auslassleitungen 43 bzw. 43' heraus7 Das fluide Medium, das durch die Faserwände hindurch permeiert, wird entlang der Innenräume der Hohlfasern 28 bzw. 28', durch die entsprechenden Rohrplatten 29 bzw. 29' und aus den offenen Enden der Fasern geführt, wo es durch die porösen Abstützungen 32 bzw. 32' und die Kollektorplatten 33 bzw. 33' in die Sammelkammer 31 perko-

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liert. Anschiiessend wird das Permeat aus der Trenneinrichtung 26 durch eine Permeatauslassleitung oder Auslassleitungen 44 bzw. 45 abgezogen, die in Verbindung mit der Sammelkatnmer 31 stehen.

Währenddessen die Abstützgestange 34 in Figur 2 in der Weise wiedergegeben werden, dass sie die Sammelplatten 33 bzw. 33' fest gegen die Abstützungen 32 bzw. 32' drücken, wodurch die auf die Hochdruckseiten der Rohrplatten ausgeübten Drucke ausgeglichen werden (cancelling out) können in ähnlicher Weise auch andere Einrichtungen, wie z. B. eine perforierte zylindrische Scheibe oder eine Abstandshalterung verwendet werden.

In den in den Figuren wiedergegebenen Ausführungs-formen der Erfindung bestehen die Faserbündel im wesentlichen aus parallelen Faserlängen, die abgeflachte, kontinuierliche Schlingen darstellen. Ein Faserbündel kann jedoch auch aus Faserlängen bestehen, die in jeder Art und Weise angeordnet sind, die regelmässig oder nicht zufallsverteilt ist. Das heisst, dass eine raumsparende Faserpackung, eine im wesentlichen gleichmässige Verteilung des eingespeisten fluiden Mediums durch das Faserbündel und ein gleichmässig geringer Widerstand gegenüber der Permeatströmung durch die benachbarten Faserlumen hindurch zugelassen wird. Infolgedessen können nunmehr wohlbekannte Faseranordnungen verwendet werden, bei denen die Fasern in aufeinanderfolgenden kreuz- und quer-verlaufenden Schichten in Abstand angeordneter Spiralen rund um ein zentrales Rohr oder rund um Fasern angeordnet werden, die in der Regel parallel zu der Längsachse des Rohrs, jedoch quer zueinander in einem

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spitzen Winkel verlaufen. Zusätzlich kann das Faserbündel Mittel umfassen, wie z. B. eine Manschette (sleeve) oder eine Gewebebandage (fabric wrap), um die Fasern zwangsläufig innerhalb des Faserbündels zu führen und / oder um die gleichförmige Verteilung des eingespeisten fluiden Mediums durch die Faser zu verbessern.

In der Regel wird das Rohrplattenbauteil dadurch hergestellt, dass man ein geeignetes, fliessfähiges Material zum Einbetten (vorzugsweise eine härtbare Harzzusammensetzung) in bestimmten Beträgen auf das Zentrum und die Enden des Faserbündels während seiner Bildung aufträgt und die erhaltenen Körper an Ort und Stelle sich verfestigen lässt. Die bestimmten Einzelheiten dieser Verfahrensweise und die verschiedenartigen Materialien, die dabei verwendet werden können, äind dem Fachmann wohl bekannt.

Die perforierte Einlassleitung kann aus jedem geeigneten Werkstoff hergestellt werden, jedoch sind feste, leichte Stoffe bevorzugt. Die Konzentratauslassleitung wird von der Aussenseite unter Druck gehalten und darf deshalb nicht so stabil sein, x^ie das Rohr. Für diesen Zweck sind übliche extrudierte Rohre auf Polyvinylidenchloridbasis besonders geeignet. Stabilere Werkstoffe, wie z. B. solche aus chloriertem Polyvinylchlorid und faserverstärktem Epoxid oder Polyester sind geeignete Rohr- und Leitungswerkstoffe. Das Gehäuse wird nach bekannten Verfahrensweisen und aus bekannten Werkstoffen hergestellt, wobei Fiberglas, das vorzugsweise auf eine Metallgehäuseabstützung aufgewickelt wird, einen bevorzugten Gehäusewerkstoff darstellt.

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Eine Vielzahl von bekannten Werkstoffen (und Verfahren) ist geeignet, um aus ihnen Hohlfasern mit der notwendigen Stabilität, der erforderlichen chemischen Widerstandsfähigkeit und den geeigneten Permeabilitätseigenschaften für verschiedenartige Trannverfahren herzustellen. In ähnlicher Weise sind eine Vielzahl von Werkstoffen zum Einbetten und mehrere verschiedenartige Verfahren zum Herstellen von Rohrplatten oder Wandbauteilen aus derartigen Werkstoffen bekannt. Tatsächlich kann die vorliegende Erfindung mit jeder geeigneten Kombination aus Faser- und Rohrplattenmaterialien praktisch durchgeführt werden. Ebenso hängt die Anordnung und die Grosse der Schlitze oder der Perforationen in der Einlassleitung von der besonderen Arbeitsweise ab, was dem Fachmann geläufig ist. Währenddessen die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sich auf die Behandlung von Flüssigkeiten beziehen, können in ähnlicher Weise auch Gastrennungen durchgeführt werden^ Daher ist der Ausdruck "fluides" Medium so zu verstehen, dass er sowohl Flüssigkeiten als auch Gase umfasst.

Die poröse Abstützung gemäss der vorliegenden Erfindung wird dazu verwandt, um das sogenannte kalte Fliessen und eine bleibende Verformung der Rohrplatten in den Trenngeräten zu vermindern, die in Hochdrucktrennverfahren verwendet werden. Die Abstützung ist porös und kann aus jedem Werkstoff hergestellt werden, der nicht kompressibel und im wesentlichen inert ist oder sich nicht reaktionsfähig in Hinblick auf die Gase und Flüssigkeiten verhält, mit denen der Werkstoff während der besonderen Arbeitsweise in Berührung kommt.

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Wenn ein Druckdifferential auf die Rohrplatte ausgeübt wird, wird eine Deformation der Rohrplatte verringert, und es wird ihre entsprechende Stellung innerhalb der Trenneinrichtung aufrecht erhalten.

Als Abstützungen werden abgepackter oder gebundener Sand, keramisches Material, gesintertes Metall oder Metall in Form von geflochtenen Drahtnetzen oder Sieben verwendet. Gemäss dem Stand der Technik beträgt die wirksame Breite der Flächensegmente derartige Abstützungen (die abgerundet oder vollständig flach sein können), die in Berührung mit der Rohrplattenseite stehen, um dieselbe abzustützen, ein Vielfaches von zwei- bis fünfzigmal und vorzugsweise zehnbis dreissigmal des durchschnittlichen Innendurchmessers der verwendeten Fasern. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Verwendung derartiger Abstützungen nachteilig für die Produktivität derartiger Trenneinrichtungen ist, wahrscheinlich aufgrund dessen, dass einige der offenen Faserenden durch die Flächensegmente der Abstützung blockiert werden.

Demgegenüber wurde nun festgestellt, dass die Abstützungen nach der vorliegenden Erfindung in adäquater Weise die Rohrplatten abstützen, das heisst, ein geringfügiges Aufquellen (small scale creep) das sogenannte kalte Fliessen und eine bleibende Verformung der Rohrplatte bei höheren Drucken, die für die meisten Trennprozesse notwendig sind, verhindern, ohne dass die Leistungsfähigkeit der Trenneinrichtung durch einen eingeschränkten Strom aus den offenen Faserenden in beträchtlicher Weise verschlechtert wird. Die Verbesserung der Abstützung nach der vorliegenden Erfindung wird dadurch erhalten, dass die durchschnittliche

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wirksame Breite der Flächensegmente der Abstützung, das heisst die kleinste Breite des Flächensegmentes, das in Berührung mit der Stirnfläche der Rohrplatte steht, geringer ist als etwa der doppelte durchschnittliche Innendurchmesser der Fasern. Vorzugsweise ist die durchschnittliche Breite der Flächensegmente etwa gleich oder kleiner als der durchschnittliche Innendurchmesser der verwendeten Fasern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die durchschnittliche Breite der Flächensegmente der Abstützung geringer als der durchschnittliche innere Durchmesser der verwendeten Hohlfasern. Die Abstützung wird bei Verfahrensweisen angewendet, bei denen Drucke

von mindestens etwa 14 kg / cm und vorzugsweise mindert
stens 28 kg / cm verwendet werden.

Die erfindungsgemässen Abstützungen können Werkstoffe enthalten, wie z. B. mikroskopisch kleine, verflochtene und durch Sinterung verbundene Metallfasern (intertwined and sinter-bonded metal fibers) oder poröse Metallstrukturen, die beispielsweise die Form von Scheiben oder Streifen aufweisen oder die in der Weise ausgestaltet sind, dass sie die besondere Anordnung der Rohrplattenstirnfläche sicherstellen, die abgestützt werden soll. Man kann die Abstützungen der Erfindung ausserdem dadurch charakterisieren, dass sie im Vergleich mit der Dicke der abzustützenden Rohrplatte und im Vergleich mit der Dicke der bekannten Abstützbauteile vergleichsweise dünn sind. So sind die Rohrplattenbauteile bei üblichen, nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitenden Geräte zwischen 50,8 mm und 101,6 mm dick, währenddessen die bekannten Abstützbauteile mindestens 25,4 mm sind. Dagegen können die Ab-

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Stützungen der vorliegenden Erfindung dünner sein, als etwa 12,7 mm und können sogar so dünn sein, wie etwa 0,001 mm (twenty-five thousandths of an inch).

Die erfindungsgemässen Abstützungen können ausserdem dadurch charakterisiert werden, dass sie eine zwischengeschaltete Porosität (interconnected porosity) aufweisen, ζ. Β. Poren, die mit den Öffnungen in der Weise verbunden sind, dass ein fluides Medium durch den Werkstoff hindurch mit einem im wesentlichen gleichen Widerstand gegenüber der Strömung in allen Richtungen strömen kann. Die Gesamtzone, die durch .die Flächensegmente der Abstützungen umfasst bzw. besetzt wird, kann im Bereich von 15 bis 70 °L der Gesamt abstützungsoberfläche und vorzugsweise im Bereich von 15 bis 25 % liegen. Der Teil der Oberflächenzone der Abstützungen, die durch die Poren oder durch die zwischen den Flächensegmenten eingeschalteten Öffnungen repräsentiert werden, können 30 bis 85 % und vorzugsweise 75 bis 85 % derselben ausmachen. In der Regel ist ein höherer Prozentsatz an Porosität erwünscht, da, wie jeder Fachmann feststellen kann, dies den Aufbau der Permeatwassersammeleinrichtung vereinfacht und das Bestreben derartiger Einrichtungen reduziert, die Stabilität der Abstützung abzuschwächen.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfassen die bevorzugten Werkstoffe, die als Abstützungen verwendet werden können, mikroskopisch kleine, verflochtene und durch Sinterung verbundene Metallfasern, wie z. B. nicht rostende Stahlfaserfilterträger (stainless steel fiber filter media). Derartige Filterträger sind in vielen Grössenordnungen erhältlich, wie z. B. von einer Grosse, wie ihn Drahtfäden

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haben, von etwa 4 Mikron im Durchmesser, und einer Porenöffnung von etwa einem Mikron und einer durchschnittlichen Gesamtporosität von etwa 39 % (wobei bei der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenporosität in Betracht gezogen wird, die die gleiche oder annähernd die gleiche Porosität ist, wie die durchschnittliche Gesamtporosität der Abstützung) bis zu einer Grosse, wie ihn Drahtfäden haben, von etwa 25 Mikron im Durchmesser, Hauptporenöffnungen von etwa 46 Mikron und eine durchschnittliche Porosität von etwa 85 %. Die kleinste oder durchschnittliche xdLrksame Breite der Drahtfäden (deren Länge variieren kann) an der Oberfläche der Filterträger, die als Abstützung in Berührung mit der Rohrplattenstirnfläche verwendet wird, reicht infolgedessen von 4 bis 25 Mikron, wenn die Drahtfäden im wesentlichen flach sind. Wenn die Drahtfäden gerundet sind, beträgt die durchschnittliche wirksame Breite selbstverständlich etwas weniger. Infolgedessen sind die besonderen Filterträger, die als Abstützung verwendet werden, in Verbindung mit den Hohlfasern mit einem durchschnittlichen Innendurchmesser von etwa 25 Mikron in ihrer durchschnittlichen wirksamen Breite gleich oder kleiner dem durchschnittlichen Innendurchmesser der verwendeten Fasern, währenddessen bei Fasern mit einem durchschnittlichen Innendurchmesser von etwa 90 Mikron die v/irksame Breite der Oberflächensegmente kleiner als die durchschnittlichen Innendurchmesser der Fasern sind. Selbstverständlich können auch andere Abstützungen dieses Typs mit grösseren Flächensegmenten verwendet werden, solange die wirkungsvolle Breite der Flächensegmente geringer ist, als etwa der doppelte

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durchschnittliche Innendurchmesser der verwendeten Fasern.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können poröse Metallverbundstrukturen verwendet werden (bonded metal structures). Derartige Metallstrukturen sind im Handel erhältlich, besitzen eine Nominalretentionseigenschaft in der Grosse von 0,5 bis 40,0 Mikron und stellen die bevorzugten Strukturen dar. Eine derartige Struktur hat z. B. einen Gütegrad von 5,0 Mikron Nominalretention, wobei die durchschnittlichen Oberflächensegmente etwa 44 Mikron im Durchmesser betragen, die Oberflächenporenöffnungen weniger als etwa 5,0 Mikron im Durchmesser ausmachen und die durchschnittliche Porosität etwa 39 % ist. Bei einer Struktur mit einer Nominalretention mit dem Gütegrad von 40,0 Mikron haben die entsprechenden Flächensegmente einen Durchmesser im Bereich von 144 bis 300 Mikron, mit einem Hauptdurchmesser von etwa 177 Mikron, sind die Oberflächenporenöffnungen weniger als etwa 40 Mikron gross und ist die durchschnittliche Porosität etwa 51 % der gesamten Oberflächenzone. Die kleinste .oder wirksamste Flächensegmentbreite in den gegebenen Beispielen, die infolgedessen in Berührung mit einer Stirnfläche der Rohrplatte steht, ist im Durchschnitt etwa 44 bis 177 Mikron gross oder kleiner, wenn derartige Flächensegmente mehr länglich als kugelförmig oder mehr abgerundet als flach ausgebildet sind. Wenn beispielsweise Fasern mit einem durchschnittlichen Innendurchmesser von etwa 25 Mikron verwendet werden, ergeben die Flächensegmente der Abstützung mit einer durchschnittlichen wirksamen Breite von weniger als etwa 44 Mikron einen geringeren Wert als

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etwa der doppelte durchschnittliche Innendurchmesser der verwendeten Fasern. Wenn die verwendete Faser einen typischen durchschnittlichen Innendurchmesser von etwa 90 Mikron aufweist, ergibt die Abstützung, in der die Flächensegmente einen durchschnittlichen Wert von etwa 44 Mikron haben, stets einen geringeren Wert, als der durchschnittliche Innendurchmesser der Faser, wohingegen die Abstützung, bei der die Flächensegmente einen Durchschnittswert von etwa 177 Mikron haben, ebenfalls einen geringeren Wert ergeben, als etwa der doppelte durchschnittliche Innendurchmesser der verwendeten Faser.

Die bevorzugten, wie oben beschriebenen Abstützungen können natürlich alle mit Hohlfasern verwendet werden, die Innendurchmesser von grosser als etwa 90 Mikron aufweisen. In ähnlicher Weise können auch andere Abstützungen mit grösseren Flächensegmentbreiten verwendet werden und / oder hergestellt werden, um als Abstützungen bei der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden. Der Werkstoff der Abstützungen kann aus jedem geeigneten Material sein, das inert gegenüber der Permeatflüssigkeit ist und kann beispielsweise Metalle umfassen, wie rostfreien Stahl, Kupfer oder andere korrosionsbeständige Legierungen oder keramische Werkstoffe.

In einer einendig'en Trenneinrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist die Abstützung in der Nähe von und in einheitlichem Kontakt mit der Seite mit niedrigerem Druck der Rohrplatte, an der die offenendenden Fasern aufhören. Die Abstützung stützt die Rohrplatte und überträgt über die anderen Teile der Trenneinrichtung das auf die Rohrplatte

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ausgeübte Druckdifferential. Eine bleibende Verformung der Rohrplatte wird aufgrund des ausgeübten Druckdifferentials verringert.

Es wurden Versuche durchgeführt, unter Verwendung einer im Handel erhältlichen Trenneinrichtung, die nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitet, und zwar von dem Typ, wie er allgemein in Figur 1 gezeigt wird, und mit einem Abstützbauteil, wie er in der US-PS 37 02 658 beschrieben wird. Das Abstützbauteil für die Rohrplatte der Trenneinrichtung wurde mit einer porösen Abstützung gemäss der vorliegenden Erfindung ausgetauscht, und es wurde anschliessend die Leistungsfähigkeit der Trenneinrichtung bei Drücken verglichen, die in der Regel bei einer Behandlung von Salinenwasser nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose angewandt werden. Bei der im Handel erhältlichen Einrichtung, die für eine Erzeugung von etwa 15977 1 / Tag bei einem Druck von 28 kg / cm² ausgelegt war, hatten die Hohlfasern einen durchschnittlichen Innendurchmesser von etwa 30 bis 35 Mikron, die poröse Abstützung war etwa 25,4 mm dick und hatte Flächensegmente, die offensichtlich eine durchschnittliche Breite von etwa 450 Mikron und eine durchschnittliche Länge von etwa 900 Mikron aufwiesen. Die Abstützung der vorliegenden Erfindung war eine verflochtene, durch Sinterung verbundene Metallfaserscheibe (Filterträgerwert von ΦΦ X13, Hauptfilterporosität von etwa 46 Mikron) mit einer Dicke von etwa 0,001 mm (twenty-five thousandths of an inch) und mit Flächensegmenten von etwa 25 Mikron bezüglich der wirksamen Breite und einer Porosität von etwa 85 %, wobei die Abstützung durch ein Drahtgeflecht hinterlegt war (backed by a wire screen), durch

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das das auf die Rohrplatte ausgeübte Druckdifferential auf die Trenneinrichtung übertragen wurde. Die Trenneinrichtung wurde mit der erfindungsgemässen Abstützung eine Stunde lang bei einem Druck von 28 kg / cm betrieben, anschliessend abgestellt und durch die poröse Rohrplattenabstützung, wie sie in der kommerziellen Einrichtung verwendet wird, ersetzt und sodann eine Stunde lang bei einem Druck von 28 kg / cm erneut betrieben. Diese Abstützung wurde anschliessend erneut durch die erfindungsgemässe Abstützung ersetzt und anschliessend wiederum eine Stunde lang bei einem Druck von 28 kg / cm^ betrieben. Am Schluss jedes Betriebsabschnittes wurde die eigentliche Leistungsfähigkeit gemessen, um die Wirkung der Abstützung auf die Leistungsfähigkeit zu prüfen.

Es wurde als Ergebnis derartiger Betriebsweisen festgestellt, dass die eigentliche Leistungsfähigkeit der Trenneinrichtung, die mit der erfindungsgemässen Abstützung betrieben wurde (mit Flächensegmenten mit einer durchschnittlichen Breite, die kleiner war, als der durchschnittliche Innendurchmesser der Fasern) etwa 9 bis 10 % grosser war, als dann, wenn die Trenneinrichtung mit einer Rohrplattenabstützung nach dem Stand der Technik betrieben wurde (bei der die durchschnittliche Breite der Flächensegmente grosser war, als der durchschnittliche Innendurchmesser der Hohlfasern). Mit 'der benutzten Trenneinrichtung wurde ein Ausbeutegewinn von etwa 1522 1 / Tag realisiert; ein derartiger Gewinn in der Leistungsfähigkeit gegenüber der bekannten Rohrplattenabstützung ist im ökonomischen Sinne beträchtlich, insbesondere bei grösseren Trenneinrichtun-

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gen, die auf eine Leistung von so hoch wie etwa 75700 1 / Tag ausgelegt sind.

Bei anderen Betriebsweisen wurde festgestellt, dass die erfindungsgemässen Abstützungen eine Stütze gegen die Rohrplattendeformation bieten, währenddessen lediglich ein geringer, wenn überhaupt vorhandener Verzögerungseffekt in der Leistungsfähigkeit der Trenneinrichtung erzeugt wurde.

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Claims

28U326 Dr. Michael Hann (1125) H / vK / W Patentanwalt Ludwigstrasse 67 Giessen The Dow Chemical Company, Midland, Michigan, USA PORÖSE ABSTÜTZUNG ZUR VERIiENDUNG IN EINER TRENNEINRICHTUNG MIT HOHLFASERN Priorität: 8. April 1977 / USA / Ser. No. 785 986 Patentansprüche:

1. Poröse Abstützung zur Verwendung in einer Trenneinrichtung mit Hohlfasern, bei der sich die Hohlfasern durch eine Rohrplatte hindurch erstrecken und ihre offenen Enden an der Rohrplattenseite mit niedrigerem Druck enden, wobei die Abstützung ein inneres, nicht kompressibles Bauteil enthält, um eine Formveränderung der Rohrplatte zu vermindern und ihre diesbezügliche Lage innerhalb der Trenneinrichtung zu gewährleisten, wenn ein Druckdifferential auf die Rohrplatte ausgeübt wird, und wobei die Abstützung in der Nähe der Rohrplattenseite mit niedrigerem Druck angeordnet sowie dafür vorgesehen ist, eine mit dem Druckdifferential übereinstimmende Kraft auf die Trenneinrichtung zu übertragen, und wobei die Abstützung Flächensegmente aufweist, die in Berührung mit der Stirnfläche der Rohrplatte stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche wirksame Breite der Flächensegmente (15 a) geringer ist als etwa der doppelte durchschnittliche Innendurchmesser der Hohlfaser (12)

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und die Gesamtzone dieser Flächensegmente 15 bis 70 % der Gesamtoberflache der Abstützung (15) umfasst.

2. Abstützung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Breite der Flächensegmente (15 a) gleich oder kleiner als der durchschnittliche Innendurchmesser der Hohlfasern (15) ist.

3. Abstützung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Abstützung (15) aus Metall, gesintertem Metall, aus einem verflochtenen, durch Sinterung verbundenem Metallfaseraufbau, aus Sand oder Keramik besteht.

4. Abstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtzone der Flächensegmente (15 a) 15 bis 25 % der Gesamtoberfläche der Abstützung (15) ausmacht.

5. Abstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dicke von weniger als 12,7 mm aufweist.

6. Hohlfasereinrichtung mit zwei Hohlfaserrohrplattenanordnungen, bei denen die offenen Enden der Fasern an der Seite der jeweiligen Rohrplatte mit niedrigerem Druck enden, wobei die Rohrplatten mit ihren Seiten mit niedrigerem Druck jeweils entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, so dass eine übliche Permeat-

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sammelkammer innerhalb der Einrichtung gebildet wird, und mit einem inneren, porösen, nicht kompressiblen Bauteil, der in der Nähe der Seiten jeder Rohrplatte mit niedrigerem Druck angeordnet und dafür vorgesehen ist, eine mit einem Druckdifferential auf die entgegengesetzte Rohrplatte zu übertragen, wobei dieses poröse Bauteil Flächensegmente aufweist, die mit den Seiten der Rohrplatten in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche wirksame Breite der Flächensegmente (32 a) geringer ist als etwa der doppelte durchschnittliche Innendurchmesser der Hohlfasern (28, 28') und die Gesamtzone der Flächensegmente 15 bis 70 % der Gesamtoberfläche der Abstützung (32) umfasst.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass ein separates Abstützteil (34) in Nachbarschaft zu jeder Seite der Rohrplatte (29, 29') mit niedrigerem Druck angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Breite der Flächensegmente etwa gleich oder kleiner als der durchschnittliche Innendurchmesser der Hohlfasern (28, 28") ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (32) aus Sand, Keramik, Metall oder gesintertem Metall ist.

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10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (32) einen verflochtenen, durch Sinterung verbundenen Metallfaseraufbau hat.

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