DE2801018A1

DE2801018A1 - Hochdruck-ultrafiltrations-anlage

Info

Publication number: DE2801018A1
Application number: DE19782801018
Authority: DE
Inventors: Alexander Ing Grad Hoelzel; Roland Dipl Chem Dr Schnabel; Winfrid Dr Vaulont
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1978-01-11
Filing date: 1978-01-11
Publication date: 1979-07-19
Also published as: FR2414356A1; GB2012186A; GB2012186B; FR2414356B1; IL56242A0; IL56242A; JPS54101777A; NL7812654A; US4411781A

Description

Patentanwalt i-2 Wiesbaden

*.·. ·-.-.,· KJc V2 TaI. 56 28 4»

JENAer GLASWERK SCHOTT & GEN.

Hattenbergstraße 10 6500 Mainz

P 513

Hochdruck-Ul traf i ] trat ions-AnI a_ge

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckultrafi1 trat ions(HDUF-)Anlage, die mit geeigneten druckfesten Membranen Ultrafiltrationsdrücke bis zu mindestens 100 bar zuläßt.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik arbeiten Ultrafiltrationsmembranen im Druckbereich bis zu 10 bar, wobei der Betriebsdruck der weitaus größeren Anzahl von Anlagen K, k bar 1 iegt.

Der Grund dafür ist, daß fast ausschließlich Kunststoffmembranen aus unterschiedlichen Grundmaterialien, wie z.B. Celluloseacetat oder Polyamid, als asymmetrische Membranen verwendet werden. Als asymmetrische Membranen bezeichnet man Membranen mit einer dünnen aktiven Schicht, die für die Stofftrennung maßgebend ist, und einer relativ dicken, sehr porösen "Stütz"-schicht. Die mechanische Resistenz dieser Membranen ist so gering, daß höhere als die genannten Drücke nicht aufgenommen werden können. Mit steigendem transmembranen Druck verändert sich die Porenstruktur der Membran und damit auch ihre Trennbzw. Abscheidecharakteristik. Die Porenstruktur ergibt zwar hohe Austauschleistungen, bewirkt aber auch die geringe mechanische Widerstandsfähigkeit.

Neben den Kunststoffmembranen finden in geringem Maße auch Membranen aus dem anorganischen Material Graphit Verwendung. Wenn auch diese Membranen bis 35 bar druckstabil sein sollen, so arbeiten mit ihnen ausgerüstete Anlagen praktisch in dem Bereich um 7 bar.

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Hauptbestandteile der UF-Anlagen sind neben Regel- und Kontrolleinrichtungen Pumpen, die den Ultrafiltrationsdruck erzeugen, und die Membranmodule, in welche die Membranen eingebaut sind und in denen die ultrafi1 trative Stofftrennung erfolgt.

Je nachdem in welcher Form das Membranmaterial vorliegt, unterscheidet man folgende Bauformen für Module:

1. Platten- und Wickelmodule aus flächigen Membranfolien

2. Schlauch- oder Rohrmodule aus Membranschläuchen

3. Kapillarmodule aus Membrankapillaren, die oft auch als Hohl fasern ("hollow fibers") bezeichnet werden.

Beim Plattenmodul werden die Membranfolien zwischen geeignete Stützplatten eingespannt und trennen so die Zulauf-(Rohlösungs-) strömung von der Ablauf-(Permeat-)strömung. Die Stützplatten enthalten Kanäle und Profile, die über die Platte gleiche oder unterschiedliche Abmessungen haben können, und die die Strömung, ohne Totwassergebiete zu bilden, aufrecht halten sollen.

Beim Wickelmodul werden je zwei Membranfolien mit geeigneten Stützgeweben oder Stützlagen gewickelt und in das Modul rohr eingebaut. Die Zulaufströmung erfolgt durch das Stützgewebe zwischen zwei Wickel lagen, das durch ständiges Umlenken die Strömung verwirbeln soll. Der Ablauf des Permeates erfolgt zwischen den beiden Membranfolien, zwischen die häufig eine weitere poröse Stützeinlage gewickelt ist.

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Schlauch- bzw. Rohrmodule bestehen aus Rohren mit einer porösen Drainageinnenschicht, auf die entweder vorgefertigte Membranschläuche aufgelegt oder auf der der Membranschlauch direkt hergestellt wird. Die Rohlösung durchströmt das Rohr, dessen Durchmesser in der Größenordnung von Zentimetern liegt; das Permeat läuft durch die Drainageschicht ab.

Bei den Kapillar- bzw. Hohlfasermoduln werden die Kapillaren bzw. Hohlfasern an den Enden mit geeigenten Klebern in ein Mantelrohr eingeklebt. Die Rohlösung durchströmt die Kapillaren, das Permeat fließt im Außenraum ab.

Wie bei allen konvektiven Stoffaustauschproblemen wird auch beim Stoffaustausch durch Membranen der Stoffübergang besser, wenn man das Medium turbulent strömen läßt. Der kräftige, turbulente Stofftransport quer zur Strömungsrichtung führt einerseits verstärkt das auszutauschende Medium an die Membran heran, zum anderen sorgt er auch für einen guten Wegtransport der zurückgehaltenen Bestandteile, die sonst durch Konzentrationsüberhöhung oder Ablagerungen auf der Membran den Stofftransport behindern wurden.

Mit turbulenter Strömung arbeitet, mit Ausnahme der Rohrmodule in manchen Anwendungsfällen, keine der z.Z. verfügbaren Anlagen. Von dem Aufbau und den Betriebsparametern her ist es bei vielen der obengenannten Modul Konstruktionen gar nicht möglich, turbulente Strömung zu erreichen. In einigen Fällen versucht man den Turbulenzeffekt nachzubilden, z.B. durch die Verwirbelung der Rohlösungsströmung beim Durchlauf durch das Stützgewebe des Wickelmoduls oder durch den Einbau von Mischelementen oder "turbulence promotors" z.B. in die Rohrmodule. Eine echte Turbulenz der Strömung wird so aber nicht erreicht.

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• Γ ·

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile vorhandener UF-Anlagen zu beseitigen. Dieses Ziel wird erreicht durch eine Erhöhung des Ultrafiltrationsdruckes auf mindestens 100 bar unter Verwendung geeigneter druckfester Membranen sowie durch Vornahme von Änderungen gegenüber den üblichen UF-Anlagen in bezug auf die Modul konstruktion, die Strömung in den Moduln und die Gesamtkonzeption der Anlage. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Vorteile der HDUF voll auszunutzen.

Kernpunkt für die Durchführung der HDUF ist die Verwendung geeigneter druckfester Membranen. Solche Membranen sind z.B. Trennmembranen aus porösem Glas, vorzugsweise in symmetrischer Ausführung entsprechend DT-AS 2k Sk 111. Für diesen Anwendungsfall haben sich Kapillaren aus porösem Glas als besonders günstig herausgestellt, deren Außendurchmesser im Bereich 200 - 5000 .um liegt. Das ist begründet in der Strömungsführung im Modul (s.u.), die das Permeat im Innern der Kapillaren abfließen läßt. Diese Permeatströmung darf keinen zu hohen Strömungswiderstand besitzen, wie er durch zu enge Kapillaren erzeugt würde. Andererseits vergrößern zu große Kapillardurchmesser den Platzbedarf im Modul und damit die Größe der Anlage unnötig.

Die Trennmembranen aus porösem Glas sind entsprechend der obengenannten DT-AS mit einer Oberflächenmodifizierung versehen. Für den Fall z.B. der Ölemulsionstrennung hat sich insbesondere eine N0„-Modifizierung bewährt. Die Trennmembranen aus porösem Glas lassen sich in ihrer Porengeometrie in weiten Grenzen variieren und auf das vorhandene Problem einstellen.

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Wie oben erwähnt, ist eine turbulente Durchströmung des Moduls anzustreben. Das läßt sich relativ einfach erreichen, indem man die Kapillaren von außen und koaxial anströmt. Diese Strömungsführung ergibt die oben erwähnte Permeatströmung im Innenraum der Kapillaren. Bei dieser Strömungsführung der Rohlösung im Außenraum der Kapillaren und parallel zu diesen ist zu beachten, daß auch am Eintritt der Rohlösung in den Modul die Kapillaren nicht quer angeströmt werden. Läßt sich ein seitlicher Zulauf zum Modul nicht vermeiden, muß die Strömung bis zum Beginn der Kapillaren in axialer Richtung umgelenkt sein.

Die turbulente Strömung muß im Modul an jeder Stelle gewährleistet sein. Das bedeutet, daß nicht nur die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bei gegebener Geometrie im Modul groß genug sein muß, sondern auch die lokale Geschwindigkeit einen Minimalwert nicht unterschreiten darf. Im optimalen Fall ist die lokale Geschwindigkeit gleich der mittleren, d.h. es liegt eine turbulente Kolbenströmung vor. Das bedeutet weiterhin für die Konstruktion des Moduls, daß über dessen gesamte Länge eine einheitliche Q.uerschnittsgeometrie einzuhalten ist. Insbesondere müssen in der Querschnitttsgeometrie die Kapillaren so verteilt sein, daß die Abstände zwischen den Kapillaren einerseits und den äußeren Kapillaren und der Modulwand andererseits gleich sind. So ergeben sich überall gleiche Strömungskanäle, d.h. es bilden sich keine bevorzugten Strömungssträ'hnen im Modul aus (z.B. Randgängigkeit des Moduls).

Ein weiteres konstruktives Merkmal erleichtert die Einhaltung der genauen Modulgeometrie. Die Kapillaren sind nicht, wie sonst üblich, an beiden Enden eingeklebt, sondern nur an einem Ende. Das andere Ende ist in geeigneter Weise verschlossen. Das kann

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durch Verkleben geschehen; auch eine Verschmelzung ist möglich. Das freie Ende der Kapillaren ist im Modul frei beweglich und stellt sich von selbst so in die Strömung, daß sich nach allen Seiten gleiche Strömungskanäle ergeben.

Die turbulente Anströmung der Kapillaren von außen bringt noch einen weiteren Vorteil gegenüber bekannten Anlagen, insbesondere gegenüber innendurchströmten Kapillaren. Die hohe Geschwindigkeit und der relativ große Strömungsraum (die Packungsdichte der Kapillaren sollte aus wirtschaftlichen Gründen 40 % nicht überschreiten), reduzieren die Verschmutzungs- und Verstopfungsgefahr auf ein Minimum.

Alle konstruktiven Einzelheiten des Moduls sind so ausgeführt, daß Servicearbeiten, wie z.B. Auswechseln der Moduleinsätze, schnell und leicht durchzuführen sind.

Die HDUF-Anlage muß in ihrer Gesamtkonzeption ebenfalls optimiert werden. Anderenfalls zerstört man alle Vorteile (s.u.) durch überproportional ansteigenden Energiebedarf.

UF-Anlagen kann man grundsätzlich nach zwei Prinzipien aufbauen,

1. als Anlage mit offenem HD-Kreislauf und

2. als Anlage mit geschlossenem HD-Kreislauf (Fig. 1).

Bei einem offenen HD-Kreislauf (Fig. 1) wird der gesamte Volumenstrom, der für die geforderten hydrodynamischen Bedingungen im Modul notwendig ist, aus dem Vorratsgefäß 1 von der HD-Pumpe 2 auf Systemdruck gebracht und nach dem Durchlaufen der Module 3 wieder auf Atmosphärendruck gedrosselt (Drossel k). Hierbei wird, unabhängig vom Systemdruck, die aufgebrachte Energie zum größten Teil vernichtet.

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Im Gegensatz dazu fördert bei einer Anlage mit geschlossenem HD-Kreislauf (Fig. 2) die Kreislaufpumpe 5 den geforderten Vo1umenstrom im Kreislauf und muß dabei nur die Strömungswiderstände des HD-Kreislaufes überwinden. Der Systemdruck wird von einer zweiten Pumpe (HD-Speisepumpe) 6 erzeugt, die nur eine geringe Volumenleistung, bestehend aus Permeat und Rücklaufmenge, haben muß.

Für eine ökonomisch arbeitende HDUF-Anlage kommt nur das Prinzip der geschlossenen Anlage in Frage. Man kann mit einer Anlage dieses Prinzips den Energieverbrauch bei optimaler Ausnutzung aller Parameter auf die Größenordnung von z.Z. vorhandenen Niederdruckanlagen gleicher Permeatleistung herabdrücken.

Zwei wichtige Kriterien sind dabei zu beachten:

1. Der Druckabfall im geschlossenen Kreislauf, in dem sich die Module befinden, muß klein sein gegenüber dem Systemdruck der Anlage, der z.B. mindestens 100 bar beträgt.

2. Die im Kreislauf geförderte Rohlösungsmenge muß groß sein gegenüber der Permeatmenge, d.h. die Ausbeute, bezogen auf den Volumenstrom im Kreislauf, muß klein sein.

Mathematisch ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Verhältnis des Leistungsbedarfes einer Anlage mit offenem (P.) zu dem einer Anlage mit geschlossenem Kreislauf (P„)

^P1

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. 41-

Hierin bedeuten:

P Leistungsbedarf einer Anlage mit offenem Kreislauf

P Leistungsbedarf einer Anlage mit geschlossenem Kreislauf

V„ Permeatmenge V₁ Kreislaufmenge

2
rr- Ausbeute

P Druckverlust im Kreislauf

/.. P» Systemdruck der Anlage.

Der funktionale Zusammenhang _1_ in Abhängigkeit von

"^P2

/- P„ / P_ ist in Figur 3 dargestellt. Aus Figur 3 sind

die beiden oben erwähnten Kriterien zu erkennen, die die Anlage mit geschlossenem Kreislauf der mit offenem vom Energiebedarf her überlegen machen.

HDUF-Anlagen haben gegenüber den bisher gebräuchlichen Niederdruckanlagen die Vorteile, daß durch den höheren Systemdruck größere Permeationsraten und damit kleinere Anlagen möglich sind und daß man bei der hydrodynamischen Auslegung der Anlage und des Moduls mehr Freiheitsgrade besitzt und so z.B. ohne Schwierigkeiten turbulente Strömung im Modul erreichen und die Verschmutzungsgefahr für die Membran stark herabsetzen kann. Demgegenüber läßt sich der auf den ersten Blick augenscheinliche Nachteil entscheidend größeren Energiebedarfs durch geeignete Auslegung der Anlage vermeiden.

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Beispiel 1

HDUF-Anlage zur Ölemulsionstrennung; Anlage mit geschlossenem Hochdruckkreislauf; Permeatleistung: 5 m /d Moduldurchmesser: 20 mm Modulgesamtlänge: 8 m installierte Leistung: 8,9 kW verbrauchte Leistung: h kW

Beispiel 2

HDUF-Test-Anlage mit Labormodul 9mm Durchmesser und 40 cm Länge. Membranen im Modul außen angeströmt; turbulente Strömung der Rohlösung.

Emulsion: k ^-Emulsion aus Shell Dromus B-Öl

2 Permeabilität der Membranen: 1,2 l/m h bar Gehalt an Schweröl im Permeat: 3 " ^ ppm.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

orrichtung zur Hochdruckultrafiltration, dadurch gekennzeichnet, daß sie als wesentliche Filtrationselemente druckstabile Kapi1larmembranen enthält, die in strömungstechnisch günstigen Bauformen zusammengefaßt sind, in welchen diese Kapillaren unter einem Druckgradienten von außen nach innen in axialer Richtung angeströmt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckstabilen Kapillarmembranen aus porösem Glas gefertigt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Glaskapillaren eine Oberflächenmodifizierung besitzen.
k. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der porösen Glasmembranen zwischen 200 .um und 5000 .um liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren im Modul turbulent von der Rohlösung umströmt werden.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kapillaren im Modul so angeordnet sind, daß sie untereinander und zur Modulwand gleiche Abstände besitzen und so zwischen den Kapillaren Strömungskanäle überall gleichen Querschnitts entstehen, und daß
die Kapillarzwischenräume hochdruckfest in einer druckstabilen Halterung vergossen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren nur an einem Ende im
Modul befestigt sind, das andere Ende verschlossen ist und sich frei in der Rohlösungsströmung bewegen kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtanlage als Anlage mit geschlossenem Hochdruckkreislauf ausgebildet ist.

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