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Dokumentenidentifikation DE19540876A1 07.05.1997
Titel Mehrschichtige Separationseinheiten
Anmelder Steinbeis Gessner GmbH, 83098 Brannenburg, DE
Erfinder Damm, Armin, Dipl.-Ing., 83052 Bruckmühl, DE;
Hoffmann, Jürgen, Dipl.-Chem. Dr., 83135 Schechen, DE
Vertreter Hoffmann, Eitle & Partner Patent- und Rechtsanwälte, 81925 München
DE-Anmeldedatum 02.11.1995
DE-Aktenzeichen 19540876
Offenlegungstag 07.05.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.05.1997
IPC-Hauptklasse B01D 29/21
IPC-Nebenklasse B01D 29/33   B01D 27/06   B01D 69/00   B01D 67/00   B01D 39/00   
Zusammenfassung Um unterschiedliche Separations- oder Filtrationsprobleme zu lösen, sind im Stand der Technik Separationselemente mit unterschiedlichster Konstruktion und unterschiedlichstem Aufbau der Separationseinheiten bekannt. Darunter befinden sich auch Separationselemente mit mehrschichtigen Separationseinheiten. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich auch dadurch aus, daß sich die erfindungsgemäßen, durch einen spezifischen Schicht-für-Schicht-Aufbau an ein spezifisches Separationsproblem anpaßbaren Separationseinheiten in einem einfachen Prozeß herstellen lassen. Durch die schraubenförmige Aufwicklung mehrerer Separationsmittelbahnen unterschiedlicher Natur, die in beliebiger Menge vorgefertigt werden können, erhält man jeweils individuelle Separationsschichten, die zwar mehrlagig sein können, in sich aber homogen sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft mehrschichtige Separationseinheiten und daraus hergestellte Separationselemente zur Behandlung von flüssigen oder gasförmigen Medien sowie ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Separationseinheiten.

Um unterschiedliche Separations- oder Filtrationsprobleme zu lösen sind im Stand der Technik Separationselemente mit unterschiedlichster Konstruktion und unterschiedlichstem Aufbau der Separationseinheiten bekannt. Darunter befinden sich auch Separationselemente mit mehrschichtigen Separationseinheiten.

Ziel eines mehrschichtigen Aufbaus der Separationseinheit ist es zum einen, eine Abstufung in der mechanischen Abscheidung zu erzeugen, indem die Porengröße in der Separations- oder Filtereinheit von einer Seite zur anderen z. B. kontinuierlich zu- oder abnimmt, zum anderen sollen in bestimmten Regionen der Separations- oder Filtereinheit Zonen mit besonderen adsorptiven, absorptiven, katalytischen, ionenaustauschenden, chromatographisch oder chemisch wirksamen oder anderen spezifischen Eigenschaften gebildet werden.

Aus der DE 39 11 826 C2 ist z. B. eine Filterkerze bekannt, bei der das um ein Zentralrohr gewickelte Filtervlies über seine Länge in Wickelrichtung übergangslos aufeinanderfolgende Zonen mit kontinuierlich variierter Porengröße und/oder Adsorptionscharakteristik aufweist. Die gewickelte Filterkerze besitzt dadurch in radialer Richtung eine Filtereinheit mit unterschiedlichen Rückhaltecharakteristiken. Durch Variation der Rückhaltecharakteristiken bietet sich die Möglichkeit in einer Filtereinheit verschiedene Filtereigenschaften zu vereinen. Jedoch ist die Herstellung einer derartigen Filtereinheit aufwendig, da ein Filtervlies vorbereitet werden muß, das in Längsrichtung von seinem einen zu seinem anderen Ende sich kontinuierlich oder schrittweise ändernde Filtereigenschaften besitzt. Die Änderung der Filtereigenschaften muß so abgestimmt sein, daß sich nach dem Aufwickeln über die Breite des Filtervlieses das gewünschte Filterprofil in radialer Richtung einstellt. Hier muß nicht nur berücksichtigt werden, daß sich der Durchmesser des entstehenden Separationselements durch die beim Wickelvorgang hinzukommenden Lagen kontinuierlich ändert, sondern auch, daß der Durchmesser davon abhängig ist welchen Einfluß übereinanderliegende Wickellagen, z. B. durch Kompression, aufeinander ausüben.

Insbesondere wenn eine Filterkerze mit sich in der Filtereinheit Schicht für Schicht ändernden Eigenschaften aufgebaut werden soll, sind die erforderlichen Filtervliese nur mit sehr großem Aufwand vorzufertigen. Denn in diesem Fall müssen homogene Abschnitte unmittelbar bei der Herstellung des Filtervlieses in einer Bahn oder durch Anstückeln mehrerer Abschnitte erzeugt werden, die immer genau einem Wickelumfang, der sich mit jeder Schicht ändert, entsprechen. Ändert sich der Durchmesser des Zentralrohres so muß ein anders aufgebautes Filtervlies erzeugt werden. Immer dann, wenn die Separations- oder Filtereinheiten solcher Wickelkerzen aus vielen unterschiedlichen Filtermaterialien aufgebaut werden sollen, deren Eigenschaften sich Schicht für Schicht ändern sollen, muß mit gestückelten Filtervliesen gearbeitet werden, so daß für unterschiedliche Durchmesser des Zentralrohres und in Abhängigkeit von der Lage der einzelnen Wicklung genau bestimmte Längen eingehalten werden müssen. Eine kontinuierliche Fertigung aus Einzelstreifen ist wirtschaftlich nicht möglich. Werden die Streifen miteinander verklebt oder verschweißt, geht zusätzlich ein erheblicher Teil an effektiver Filterfläche verloren.

Für die wirtschaftliche Fertigung der aus der DE 39 11 826 C2 bekannte Filterkerze mit mehrschichtiger Separations- bzw. Filtereinheit ist ferner problematisch, daß die Breite der Filterkerze die Breite der notwendigen Filtervliese bestimmt. Diese müssen mindestens so breit gefertigt werden oder auf diese Breite geschnitten werden. Insbesondere bei Kerzen aus verschiedenen Materialien ergeben sich hier häufig größere Mengen an Materialverschnitt, weil die Ausgangsvliese auf Produktionsmaschinen mit den unterschiedlichsten Fertigungsbreiten erzeugt werden.

Auch bei plissierten Filterkerzen ist die Filtereinheit in der Regel mehrschichtig aufgebaut. Die Mehrschichtigkeit, Drainage- und Schutzschichten eingeschlossen, wird dadurch erzeugt, daß mehrere Filterbahnen von individuellen Abrollstationen abgewickelt und kurz vor den Plissiermessern zusammengeführt werden. Dies setzt zum einen voraus, daß die einzelnen Schichten vorbereitet, d. h. auf gleiche Breite geschnitten sind, zum anderen ist die Zahl der übereinander und parallel einlaufenden Schichten aus räumlichen und Handhabungsgründen limitiert, weil jeweils eine Abrollstation nötig ist. Zusätzlich nimmt mit der Anzahl der einlaufenden Schichten die Gefahr des gegenseitigen Verlaufens zu, so daß meist kurz vor den Plissiermessern ein Egalisierungsschnitt durchgeführt werden muß, was einen erhöhten Verschnitt bedeutet.

Weiterhin lassen sich zwischen zwei Filterbahnen nur sehr schwer zusätzliche Filterhilfstoffe einbringen und die einzelnen Filterbahnen müssen so zugfest sein, daß sie sich ohne Abriß abrollen lassen. Letzteres ist bei sehr dünnen Filtervliesen, die z. B. nötig sind, um sehr feine Abstufungen in der Porengröße zu erzeugen, meist nicht gegeben.

In der DE 44 01 116 A1 wird eine Filterkerze mit einer mehrschichtigen Separationseinheit offenbart, bei der die Separationseinheit dadurch gebildet wird, daß eine Trägermatte um ein perforiertes Stützrohr gewickelt wird und zwischen den einzelnen Windungen der Trägermatte eine Schicht aus pulverförmigen Filterhilfsmittel angeordnet ist. Sowohl das Filterhilfsmittel als auch die Trägermatte sind in sich homogen. Es ist also nicht mit jeder Schicht eine spezifisch andere Separationswirkung gegeben bzw. erzeugbar. Will man dies für die Trägermatte realisieren, so ergeben sich dieselben Nachteile, wie bei der in der DE 39 11 826 C2 beschriebenen Filterkerze. Will man, was häufig gewünscht bzw. notwendig ist, verschiedene Filterhilfsmittel einbringen, so muß der Wickelprozeß jeweils unterbrochen werden, um eine neue Vorrichtung für den Filterhilfsmitteleintrag zu installieren oder das Filterhilfsmittel auszutauschen. Noch umständlicher wäre es auf die voll ausgebreitete Trägermatte Abschnitt für Abschnitt das jeweils notwendige Filterhilfsmittel aufzubringen und dann die Trägermatte um den Kern zu wickeln. Hier ergeben sich nicht nur technologische Schwierigkeiten durch die nicht fixierten Filterhilfsmittel, sondern es ist auch kaum sicherzustellen, daß sich in einer Schicht lückenlos der gleiche Filterhilfsstoff befindet.

Generell gestaltet es sich also als sehr schwierig und aufwendig, naßgeschneiderte, mehrschichtige Separationseinheiten, mit oder ohne zusätzlichen Separationsmitteln, zwischen je zwei Separationsmittelbahnen, in einem kontinuierlichen Prozeß herzustellen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Herstellung von Separationselementen nicht gleichzeitig mit der Herstellung der mehrschichtigen Separationseinheit erfolgt, sondern die mehrschichtige Separationseinheit z. B. in Form von Rollen- oder Bogenware, aus Flach- oder Flachschlauchmaterial, mit spezifischer Schichtenfolge als Ausgangsmaterial z. B. für Plissier-, Stanz- oder Wickelvorgänge benötigt wird. Andererseits wird es immer wichtiger für spezifische Separationsaufgaben auch Separationseinheiten mit spezifischem Aufbau bereitzustellen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mehrschichtige Separationseinheiten zu schaffen, die bei möglichst einfacher Herstellbarkeit sehr variabel an ein spezifisches Separationsproblem durch einen maßgeschneiderten Schichtenaufbau angepaßt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine mehrschichtige Separationseinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Separationseinheit sowie vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 19 bis 31 angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich auch dadurch aus, daß sich die erfindungsgemäßen, durch einen spezifischen Schicht für Schicht Aufbau an ein spezifisches Separationsproblem anpaßbaren Separationseinheiten in einem einfachen Prozeß herstellen lassen. Durch die schraubenförmige Aufwicklung mehrerer Separationsmittelbahnen unterschiedlicher Natur, die in beliebiger Menge vorgefertigt werden können, erhält man jeweils individuelle Separationsschichten, die zwar mehrlagig sein können, in sich aber homogen sind. Zwischen diese Schichten aus Separationsmittelbahnen lassen sich problemlos andere Separationsmittel einbringen, ohne daß der Herstellprozeß unterbrochen werden muß.

Abfälle werden weitgehend vermieden, da im Verlauf des Herstellungsprozesses Separationselementrohlinge ohne Verlust von gewünschter Länge abgeschnitten werden oder Flachbahnen bzw. Flachschlauchbahnen verlustfrei aufgewickelt werden können. Aus vorgefertigten Separationsmittelbahnen beliebiger Breite und Art, lassen sich problemlos erfindungsgemäße, mehrschichtige Separationseinheiten im gewünschten Durchmesser bzw. gewünschter Bahnbreite in Schlauchform oder als Bahnware herstellen.

Ein Filterelement mit schraubenlinienförmig aufgewickeltem Nadelfilzmaterial als Separationseinheit ist aus G 91 11 139.1 bekannt, jedoch handelt es sich hier um eine Filtereinheit aus nur einer Schicht, bei dem sich das Problem der Anpassung an spezielle Filtrationsprobleme nicht stellt und das zur Lösung derartiger Filtrations- bzw. Separationsprobleme auch nicht geeignet ist.

Bei den aus EP 0 335 571 A1 und DE 39 11 826 bekannten Filterkerzen wird das Filtermaterial von einer zylindrischen Schutzhülle umgeben, die aus einem Bandmaterial besteht, das entlang einer Schraubenlinie um das Filtermaterial gelegt wird.

In der DE 44 03 652 A1 wird weiterhin ein Verfahren zum Herstellen von Rohrmembranen beschrieben, bei dem der rohrförmige Träger auf dem die Membranschicht erzeugt wird aus zwei rohrförmigen Lagen besteht, die versetzt zueinander wendelförmig aufgewickelt und miteinander verschweißt sind.

Unter mehrschichtiger Separationseinheit wird in dieser Druckschrift definitionsgemäß die Summe der Separationsmittelschichten, einschließlich Schutzschichten (Schutz bei Verarbeitung und während des Einsatzes in einem Gerät) und Drainageschichten, verstanden, wobei bei erfindungsgemäßen Separationseinheiten, die Separationsmittelbahnen bzw. deren Ränder bei der Herstellung einer schlauchförmigen Separationseinheit, schraubenwickelartig angeordnet sind. Beim Flachdrücken oder Aufschneiden von schlauchförmigen Separationseinheiten ergibt sich eine diagonale Lage der Separationsmittelbahnen zueinander.

Wird der Herstellprozeß der Separationseinheit mit der Herstellung von Separationselementen gekoppelt ist, so entstehen beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren in der Regel Separationselementrohlinge, d. h. Basiseinheiten, die allein oder zu mehreren oder mit anderen Basiseinheiten kombiniert zu den endgültigen Separationselementen weiterkonfektioniert werden.

Separationsmittel im Sinne der Erfindung werden im allgemeinen Sprachgebrauch als Filtermedien bezeichnet. Hier wird bevorzugt der Begriff Separationsmittel gebraucht, um zu unterstreichen, daß für dessen Wirkung nicht unbedingt eine Durchströmung nötig ist, sondern die Wechselwirkung auch bei einfachem Medienkontakt durch adsorptive, chemische, katalytische, kapillare (saugende) oder andere Mechanismen erfolgen kann.

Die Separationsmittel werden bezüglich ihrer Porengröße bzw. Trenngrenzeigenschaften (Grob-, Fein-, Mikro-, Ultrafiltration und Reverse Osmose), ihres Trennmechanismus (Sieb , Tiefenfiltration, Adsorptive Filtration, Pervaporation, Dampfpermeation, Gastrennung . . ) und ihrer Wechselwirkung mit dem zu behandelnden Medium (spezifische und unspezifische Adsorption, Chromatographie, Katalyse, Ionenaustausch, Kapillarwirkung, Elektretwirkung . . ) charakterisiert. Die Separationsmittel können also sowohl als Barriere als auch Adsorber und Reaktionsfläche bzw. Reaktionsvolumen für bestimmte Inhaltsstoffe von Gasgemischen, Aerosolen, Flüssigkeitsgemischen, Lösungen sowie kolloidalen und partikulären Suspensionen, wirken.

Als Separationsmittel kommen fadenförmige, bandförmige, flächige oder flachschlauchförmige und hohlfaserförmige, oberflächenaktive und oder poröse Stoffe in Frage, an die, in denen oder zwischen denen z. B. adsorptiv, katalytisch, biokatalytisch, über ein Zetapotential oder durch Elektretcharakter wirkende Stoffe oder zum Ionenaustausch fähige funktionelle Gruppen oder Medien gebunden, fixiert oder eingelagert sein können sowie faserförmige, pulverförmige, granulare oder andere schüttgutartige Substanzen mit einer Separationswirkung.

Als Separationsschicht wird hier jede einzelne Lage eines Separationsmittels verstanden. Eine besondere Art der Schicht stellen Schichten aus wickelbaren, flächigen oder flachschlauchförmigen Separationsmitteln dar. Diese werden hier als Separationsmittelbahnen bezeichnet.

Flächige Separationsmittelbahnen können z. B. Kunststoff- oder Drahtgewebe, extrudierte oder anders hergestellte Gitternetze, Vliese, Papiere, Membranen oder Folien sein. Beispiele sind Glasfaserpapiere, Zellstoffpapiere, Papiere mit eingelagerten Aktivkohle- oder Kieselgurpartikeln, naß- oder trocken gelegte Vliese, Nadelfilze, genadelte Vliese, Krempelvliese, Kohlefaservliese, Spunbondvliese, Meltblownvliese, Splitfibervliese, Flashspunvliese, Schmelzklebervliese, gelochte oder geprägte Folien oder Membranen für die Mikro- und Ultrafiltration, für die Reverse Osmose und die Pervaporation.

Die Separationsmittelbahnen können in vielfältiger Weise vorbehandelt sein. Beispiele für solche Behandlungen sind Kalandrieren, Rillieren, Oberflächenmodifizierungen, Beschichtungen, Imprägnierungen, Flämmen, Korona- und Plasmabehandlungen, Aufrauhen, Carbonisierung usw. An solche Separationsmittelbahnen können faserförmige, pulverförmige, granulare oder andere schüttgutartige Separationsmittel fixiert sein, die aber auch ohne Fixierung eine Separationsschicht bilden können. Beispiele für solche schüttgutartigen Separationsmittel sind Ionenaustauschermedien, Aktivkohlemedien, Adsorberharze, Wasser absorbierende Fasern, granulare Katalysatoren, Molekularsiebe, Chromatographiemedien, Trockenmedien, Materialien mit definiertem Zetapotential, Flockungsmedien, bakterizide Substanzen, Bakterien, Hefen, bioaktive Stoffe, elektrisch leitfähige Stoffe, über Magnetismus oder elektrische Felder wirkende Stoffe usw.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Verfahrensbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Fertigungslinie bei der die Fertigung erfindungsgemäßer Separationseinheiten ohne zusätzlichen Stützkern erfolgt,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Fertigungslinie bei der die Fertigung erfindungsgemäßer Separationseinheiten mit einem zusätzlichen Stützkern erfolgt,

Fig. 3A die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Separationselementes mit einer erfindungsgemäßen Separationseinheit,

Fig. 3B einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Separationseinheit,

Fig. 3C einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäße Separationseinheit,

Fig. 4A und 4B perspektivische Ansichten von erfindungsgemäßen Separationselementen mit erfindungsgemäßen Separationseinheiten in verschiedenen Konfektionierungsstufen,

Fig. 5A eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Separationselements in dem Separationselementrohlinge aus erfindungsgemäßen Separationseinheiten gebündelt sind,

Fig. 5B bis 5D Querschnitte durch weitere Bündelungsanordnungen für Separationselementrohlinge,

Fig. 6A ein Separationselement gemäß Fig. 5A, bei denen eine Stirnseite der Separationselementrohlinge separat zugeschweißt wurde,

Fig. 6B eine schematische Darstellung, wie die Verschweißung und das Ablängen von Separationselementrohlingen miteinander verknüpft werden kann,

Fig. 6C und 6D zwei weitere perspektivische Ansichten von Separationselementen, in denen Separationselementrohlinge gebündelt sind,

Fig. 7A einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Separationseinheit gemäß Beispiel 2,

Fig. 7B einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Separationseinheit gemäß Beispiel 4,

Fig. 7C einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Separationseinheit gemäß Beispiel 7 und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Separationseinheit gemäß Beispiel 6.

Das für die Herstellung der erfindungsgemäßen Separationseinheiten verwendete Wickelverfahren wird bevorzugt in der Weise durchgeführt, daß für alle flächigen Separationsmittelbahnen die Wickelrichtung gleich ist, weil so kontinuierlich gefertigt werden kann. Es ist natürlich aber auch möglich für einzelne oder mehrere Schichten an Separationsmittelbahnen die Wickelrichtung umzukehren. Dies ist z. B. gewünscht, um die Stabilität des Wickels zu erhöhen oder bestimmte Lagen aus Drainagen so anzuordnen, daß sich Strukturen mit einem geringeren Filterwiderstand ergeben.

Für das Wickelverfahren kann vom Prinzip her auf bekannte Spiralhülsen-Wickelmaschinen, wie sie z. B. bei der Herstellung von Toilettenpapierkernen oder Kernhülsen für die Papier- und Folienindustrie eingesetzt werden, zurückgegriffen werden, wenn diese für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend modifiziert werden.

Eine solche Modifizierung ist z. B. das Arbeiten mit einer oder mehreren Andruck- bzw. Anpreßwalzen, die die Wicklungen verfestigen. Die Andruckwalzen können dabei angetrieben sein. Solche Andruckwalzen sind z. B. nötig, wenn sehr flauschige Separationsmittel komprimiert werden sollen oder wenn die Eigenfestigkeit einer flächigen Separationsmittelbahn nicht ausreicht, um die notwendige Festigkeit des Wickels über den Wickelzug zu erzeugen.

Die flächigen Separationsmittelbahnen können aus den verschiedensten Materialien bestehen und können eine beliebige Breite haben. Bei teuren Materialien, wie Membranen, kommen selbst schmale Randstreifen, die normal als Abfall anfallen, als Wickelmaterial in Frage. Die Separationsmittelbahnen werden von einer Vorratsrolle abgerollt und an einer definierten Stelle unter einem frei wählbaren Winkel am Wickeldorn oder der an dieser Stelle bereits erzeugten Wicklung befestigt. Die gewünschte Reihenfolge an flächigen Separationsmittelbahnen wird dadurch erreicht, daß die Vorratsrollen in der vorgegebenen Reihenfolge in ein Vorratsgatter eingehängt und von dort die ablaufenden Bahnen nacheinander und übereinander auf einen Wickeldorn aufgewickelt werden.

Sollen in der Separationseinheit mehrere Lagen ein und derselben flächigen Separationsmittelbahn übereinander zu liegen kommen, so können diese nacheinander von verschiedenen Vorratsrollen ab und dann schraubenspiralig aufgewickelt werden oder es werden Vorratsrollen erzeugt, bei denen die gewünschte Anzahl an Lagen bereits übereinander gewickelt ist. Letzteres wird bevorzugt, wenn sehr viele dünne Lagen gleicher Qualität übereinander gewickelt werden sollen.

Andererseits kann über den Einführungswinkel der Überlappungsgrad n für eine einzelne Separationsmittelbahn in Abhängigkeit von der Bahnbreite, der Dicke der Bahn und dem Durchmesser des Wickeldorns bzw. Wickelkerns beliebig gewählt werden. Ein Überlappungsgrad n von 1 entspricht einer bündigen Wicklung, ein Überlappungsgrad kleiner als 1 bedeutet, daß die Wickelbahnen auf Distanz liegen, ein Überlappungsgrad n größer als 1 gibt an wieviel Lagen derselben Separationsmittelschicht bei einem Querschnitt durch den, von dieser Separationsmittelschicht gebildeten, Wickelzylinder übereinanderliegen. n gleich 7,5 bedeutet dann z. B., daß im Querschnitt 6 Lagen mit vollem Umfang erkennbar sind und die innerste und die äußerste Lage zusammen die 1,5-fache Länge eines Umfangs haben. Die mathematischen Zusammenhänge für eine zylindrische Separationseinheit gibt die folgende Formel wieder:

n = B/2 * π * D * cosβ + (R-D)²/4 * D² - (R-D)/2 * D

Dabei ist n der Überlappungsgrad, B die Bahnbreite der Separationsmittelbahn, D die Dicke der Separationsmittelbahn, R der Radius des Kerns bzw. der Achse, auf den bzw. auf die aufgewickelt wird und β der Winkel zwischen Separationsmittelbahn und Wickelkern bzw. Wickelachse.

Fadenförmige, bandförmige, hohlfaserförmige Separationsmittel bzw. andere Separationsmittel, die zusammenhängend auf- oder abwickelbar sind, werden wie die Separationsmittelbahnen als Einzel- oder Mehrfachlage in den Wickel eingebracht.

Über jeder einlaufenden, flächigen Separationsmittelbahn können, z. B. kurz vor dem Ort der Aufwicklung, Vorrichtungen installiert werden mit denen z. B. partikuläre, fasrige oder sprühfähige Separationsmittel und andere Hilfsstoffe eingebracht werden können, die zwischen je zwei Schichten aus flächigen Separationsmittelbahnen eine zusätzliche Separationsmittelschicht bilden. Über diese Vorrichtungen lassen sich z. B. auch Kleber, Imprägnierungen, Benetzungsmittel, körnige Abstandhalter, Farbstoffe usw. an der gewünschten Stelle in das Separationselement einbringen. Auch können die Separationsmittelbahnen vor der Aufwicklung z. B. zur Benetzung, Imprägnierung oder Beschichtung durch Tauchbäder oder Auftragswalzensysteme usw. geführt werden.

Wie oben beschrieben können angrenzende Ränder einer flächigen Separationsmittelbahn überlappend (n > 0), bündig (n = 0) oder auf Distanz (n < 0) zueinander liegen.

Überlappende Separationsmittelbahnen lassen sich durch Zusatzeinrichtungen in den Überlappungszonen miteinander verkleben, verschweißen oder andersartig leckdicht miteinander verbinden. Die aneinander stoßenden Ränder bündiger Separationsmittelbahnen können bei Bedarf durch geeignete Klebstoffe (z. B. Silikon- oder Hotmeltraupen) oder Verschweißung dicht miteinander verbunden werden.

Bei überlappender Wicklung werden die Überlappungszonen der einzelnen Separationsmittelbahnen bevorzugt so angeordnet, daß ein Wickelschlauch mit möglichst gleichmäßigem Durchmesser erzeugt wird.

Der Wickeldorn ist bevorzugt zylindrisch, bzw. konisch (kegelstumpfartig), kann aber auch eine andere, z. B. im Querschnitt mehreckige oder ellipsenförmige Struktur haben.

Die mehrschichtige Separationseinheit kann sowohl auf einem Stützkern, als auch ohne Stützkern auf dem Wickeldorn erzeugt werden. Der Kerndurchmesser bzw. Durchmesser des Wickeldorns ist bezogen auf das Verfahren frei wählbar.

Wird die Separationseinheit auf dem Stützkern erzeugt, so ist in der Regel mit der Fertigung der Separationseinheit gleichzeitig die Fertigung von Separationselementrohlingen gekoppelt.

Um mechanisch stabile Separationselementrohlinge ohne Stützkern bzw. entsprechende Separationseinheiten zu erzeugen, können eine oder mehrere stabilere Schichten, z. B. aus Gewebe oder Netzgittern, während des Wickelvorgangs an der jeweils gewünschten Stelle bzw. Zone als Schichten in die Separationseinheit integriert werden.

Bei Typen mit Stützkern kann dieser in kürzeren Stücken laufend der Wickelachse aus aneinandergeschweißten oder anders mit einander verbundenen Basiskernen zugeführt werden, wobei die Einzelstücke über komplementäre Rändelungen oder Aussparungen miteinander verzahnen oder über eine Zusatzvorrichtung miteinander verschweißt (z. B. Rotationsschweißen) werden.

Eine weitere Variante ist es, den Stützkern ebenfalls durch den Wickelvorgang selbst schraubenspiralig zu erzeugen. Sind hierfür aus Stabilitätsgründen sehr dicke, unflexible Kunststoffgitter nötig, so kann die gesamte Vorratsrolle oder die abgewickelte Bahn mit entsprechenden Einrichtungen vor der Krümmungsbildung erwärmt werden. Bei schlauchförmigen Separationseinheiten mit sehr kleinem Innenradius kann der Kern durch flexiblere Netzgitter erzeugt werden, die z. B. durch ihre Struktur den Ablauf bzw. die Abführung des Filtrates in Achsenrichtung selbst dann noch erlaubt, wenn der gebildete Kern eine sehr kleine Innenöffnung hat.

Die Zahl und Art der Separationsmittelschichten einer erfindungsgemäßen Separationseinheit läßt sich individuell an die jeweilige Separationsaufgabe anpassen.

Die durch den Wickelvorgang gebildeten, mehrschichtigen Separationseinheiten oder Separationselementrohlinge können in der jeweils gewünschten Länge abgelängt werden, ohne daß der Fertigungsprozeß unterbrochen werden muß. Ebenso ist es möglich eine zylindrisch gebildete, mehrschichtige Separationseinheit nach der letzten Verfahrensstation flachzudrücken und als Flachschlauch für die Weiterverarbeitung aufzuwickeln bzw. die mehrschichtige, zylindrische Separationseinheit aufzuschneiden und die so erhaltene mehrschichtige, bahnförmige Separationseinheit für die Weiterverarbeitung aufzuwickeln.

Über den einzelnen abgewickelten Separationsmittelbahnen oder beliebigen Regionen des gebildeten Schraubenwickels lassen sich weiterhin Vorrichtungen installieren mit denen sich die separationstechnischen Eigenschaften oder auch die verfahrenstechnischen Eigenschaften verändern lassen. Durch Erwärmen z. B. mit IR-Strahlen oder Einblasen von heißer Luft können Schmelzklebervliese oder Fasern mit Kern-Mantel-Charakteristik aktiviert und dadurch die Struktur des Separationselements durch Verbinden einzelner Lagen oder Fixierung von partikulären Separationsmitteln stabilisiert werden. Über Koronastrecken lassen sich z. B. in Feinstfaservliese aus Meltblown elektrische Ladungen einbringen, die diesen einen permanenten Elektretcharakter verleihen. Durch UV-Bestrahlung lassen sich z. B. eingesprühte hydrophilisierende, hydrophobierende, oleophobierende und dergleichen Stoffe aktivieren, so daß die Oberfläche des besprühten Separationsmediums permanent modifiziert wird. Durch Berührung mit einem Ultraschallhorn ist es weiterhin möglich bestimmte flächige Separationsmittelbahnen zu verdichten oder partikuläre Stoffe besser in deren Matrix zu verteilen. Andere Vorrichtungen erlauben z. B. die thermische Verfestigung von Außenschichten, indem mehrere Schichten linienförmig miteinander verschweißt werden.

Viele dieser Behandlungen lassen sich auch im Vorfeld am Rollenmaterial durchführen. Dies bedeutet aber meist einen zusätzlichen Arbeitsschritt. Zum anderen ist es häufig vorteilhaft die Behandlungen erst kurz vor oder kurz nach dem Einwickeln durchzuführen, um z. B. lagerungsbedingte Veränderungen zu vermeiden, bzw. der Wickelkrümmung angepaßte Zustände zu nutzen.

In Fig. 1 ist eine Fertigungslinie für die erfindungsgemäßen Separationseinheiten schematisch dargestellt. Dabei können die Separationsmittelbahnen (3) bis (10) von den nicht dargestellten Vorratsrollen dem Wickeldorn (2) bzw. dem sich aufbauenden Spiralwickel (16), der die Separationseinheit darstellt, zugeführt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit überlappen sich die Separationsmittelbahnen (3) bis (10) nicht. Dies ist aber prinzipiell möglich. Dargestellt ist, daß die Separationsmittelbahnen (3) bis (10) unterschiedliche Breite haben können. Es ist nicht unbedingt nötig, daß alle Separationsmittelbahnen einlaufen. Natürlich lassen sich auch Fertigungslinien mit wesentlich mehr einlaufenden Separationsmittelbahnen realisieren. Nicht dargestellt ist weiterhin, daß die Separationsmittelbahnen bzw. die dazugehörigen Vorratsrollen gebremst werden können. Darf kein starker Zug auf eine Separationsmittelbahn ausgeübt werden, so ist auch ein Antrieb der Vorratsrollen für die Abwicklung möglich.

Der konisch geformte Wickeldorn (2) wird von dem Motor (1) in der angegebenen Drehrichtung angetrieben. Beim Produktionsstart wird zunächst die Separationsmittelschicht (3) um den Wickeldorn (2) gewickelt und etwa bis zur Separationsmittelschicht (7) vorgetrieben. Auf diese erste Schicht (3) wird dann die Separationsmittelbahn (4) gewickelt und mindestens so weit vorgetrieben, daß im nächsten Schritt die Separationsmittelbahn (6) in seiner vollen Breite auf diese aufgewickelt werden kann. In analoger Weise wird der Spiralwickel bzw. die Separationseinheit (16) Schicht für Schicht weiter aufgebaut und der Wickel mit allen Separationsmittelbahnen (3) bis (10) soweit vorangetrieben, daß er über die Andruckwalzen (14, 14&min;) hinausragt.

Als nächstes werden, soweit sie für einen Separationseinheitstyp oder Separationselementrohlingstyp erforderlich sind, die Dosiereinrichtungen (12, 12&min;, 12&min;&min;) in Position gebracht und aktiviert. Dasselbe gilt für die Schweißstation (11) mit der die Ränder der Separationsmittelbahn (5) leckdicht miteinander verschweißt werden sowie für die Schweißstation (11&min;), die die Ränder der Separationsmittelbahn (10) und die darunter liegende Separationsmittelbahn (9) miteinander verschweißt. Diese Verschweißung mit einer unteren Lage dient bei manchen Separationselementrohlingen (17) der Außenverfestigung des Spiralwickels (16) bzw. der Separationseinheit, d. h. der Stabilität gegenüber z. B. Druckstößen vom Kern zum Außenradius, wie sie im Praxiseinsatz häufig vorkommen. Diese sog. Außenverfestigung erfolgt nach der Station mit den Anpreßwalzen (14, 14&min;), weil dann die Lage der Schraubenwickelschichten zueinander endgültig ist. Reicht diese Außenverfestigung nicht aus, so kann der Separationselementrohling (17) zusätzlich mit äußeren Schutzgliedern bzw. Schutzkäfigen versehen werden. Natürlich können Anpreßwalzen und Schweißstationen unterschiedlichster Natur auch an anderen Stellen einer Fertigungslinie installiert werden. Analoges gilt für Heizeinrichtungen (13, 13) die z. B. mit Heißluft oder IR-Strahlung arbeiten oder die Koronastrecke (15) mit der in Fig. 1 der Separationsmittelbahn (9) eine Elektretwirkung aufgeprägt werden kann.

In Fig. 2 ist eine Variante einer Fertigungslinie, bei der nur drei Separationsmittelbahnen (3) bis (5) übereinander gewickelt werden. Weiterhin wird die Separationsmittelbahn (3) nicht auf einen Wickeldorn (2) sondern auf einen vorgefertigten Stützkern (21) z. B. aus einem thermoplastischen Kunststoff wie Polypropylen aufgewickelt. Dieser Kern wird über den Motor (1) in der angegebenen Drehrichtung angetrieben. Der Wickelaufbau erfolgt in analoger Weise, wie bei Fig. 1 beschrieben. Damit die Produktion nicht permanent unterbrochen werden muß, wird der Drehkern (21) automatisch in bestimmten Zeitabständen um einen Basiskern (21&min;) verlängert. Die Stückelung erfolgt beispielsweise mittels einer Reibschweißeinheit (22), wobei durch stärkere Rotation des Basiskernes (21&min;) bei Berührung die Stirnseiten (20, 20&min;) kurzzeitig angeschmolzen werden und sich dann leckdicht miteinander verbinden. Damit die Reibungskräfte nicht zu groß werden sind die Stirnseiten (20, 20&min;) z. B. nach dem Nut/Feder-Prinzip gestaltet.

In der Fertigungslinie gemäß Fig. 2 ist als weitere Variante ein Sprühstation (18) dargestellt. Hiermit lassen sich z. B. Separationsmittel oder Modifikationsmedien, die als Dispersion oder Lösung vorliegen, als Separationsschicht in den Wickel einbringen. Beispielsweise könnte es sich um Bakteriensuspension handeln, wenn ein Separationselement mit einer erfindungsgemäßen Separationseinheit (16) als Membranreaktor arbeiten soll. Mit der Sprühstation (18) lassen sich z. B. auch Dispersionskleber einsprühen oder es handelt sich um eine Hotmeltsprühstation, wobei die aufgesprühten Hotmeltraupen (23) z. B. durch die Heizeinrichtung (13) aktiviert werden können, wenn die betroffenen Wickelschichten ihre endgültige Form angenommen haben. Die Dosierstation (12) bringt eine weitere Separationsmittelschicht (24) auf die Separationsmittelbahn (4) auf. Diese kommt in direkten Kontakt zu den noch klebefähigen Hotmeltraupen (23), so daß das Separationsmittel (24) in gewisser Weise fixiert wird. Durch Aktivierung der Hotmeltraupen an der Heizstation (13) wird dieser Fixierungsprozeß noch einmal verstärkt.

In Fig. 2 ist weiterhin eine Ablängeinrichtung (19) skizziert, mit der die Rohlinge (17) für z. B. ein Separationselement (25) von dem fertigen Spiralwickel bzw. Separationseinheit (16) abgeschnitten werden. Dieses Ablängen kann ohne Unterbrechung der Produktion erfolgen, weil die Ablängevorrichtung die Vorwärtsbewegung der schlauchförmigen Separationseinheit (16) mitmachen kann.

Fig. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines von einer erfindungsgemäßen Separationseinheit abgelängten Rohlings.

Fig. 3B zeigt die entsprechende Separationseinheit (16) im Längsschnitt, Fig. 3C im Querschnitt.

In Fig. 4A ist eine Variante eines, fertig konvektionierten Separationselementes (25) mit einer erfindungsgemäßen Separationseinheit (16) perspektivisch dargestellt, d. h. an die Wickelstirn (26) wurde eine geschlossene Endkappe (28) angeschweißt, während die Stirnseite (27) mit einem sog. Gehäuseadapter (29) versehen wurde. Vor dem Anschweißen an die die Kunststoffteile (28, 29) werden in vielen Fällen zunächst die Stirnseiten (26, 27) des Rohlings (17), ggf. unter Verwendung von zusätzlich geschmolzenem Polymer, abgedichtet, bzw. die Stirnseiten (26, 27) zu offenen Endkappen (30, 30&min;) geformt. Dies zeigt aFig. 4B.

Werden Separationselementrohlinge (17) mit sehr geringem Durchmesser erzeugt, so werden diese nicht wie in Fig. 4A dargestellt einzeln fertig konvektioniert, sondern mehrere dieser Rohlinge werden gebündelt und zu einem Separationselement zusammengefaßt. Eine perspektivische Ansicht für ein solches Separationselement (31) aus Einzelrohlingen zeigt Fig. 5A.

In der Fig. 5A sind sieben Separationselementrohlinge (17) zylindrisch gebündelt. Die Stirnseiten (27) sind in eine geschlossene Endkappe (28) eingegossen. Die Stirnseiten (26) können mit einem speziellen Adapter (29) versehen werden, der die Filtrate der Einzelrohlinge (17), die jeweils aus den Stirnseiten (26) austreten, sammelt, das Rohlingsbündel aber gegen die Unfiltratseite abdichtet. Andere beispielhafte Querschnitte durch Bündelanordnungen zeigen die Fig. 5B bis 5C. Bei der Bündelung wird immer versucht dichteste Packungen zu erzeugen, bzw. Konfigurationen, die, bei Parallelbetrieb mehrerer Separationselemente (31) in einem gemeinsamem Gehäuse, zwischen den Separationselemente möglichst wenig Totvolumen entstehen lassen. Ein Vorteil der Bündelkonfiguration ist, daß über den gemeinsamen Abflußadapter, die Zahl der notwendigen Abdichtungen minimiert wird. Welche Bündelungskonfiguration gewählt wird, hängt z. B. davon ab welchen Durchmesser die Separationselementrohlinge (17) haben und welcher Gesamtdurchmesser für ein Separationselement (31) erlaubt ist.

Eine spezielle Variante der Abdichtung von Separationselementen (31) zeigt Fig. 6A. Dabei sind die Stirnseiten (26), in einen Adapter (29) eingegossen, während die Stirnseiten (27) jede für sich zugeschweißt ist. Diese Verschweißung kann bei Separationselementrohlingen (17) mit kleinem Durchmesser noch vor dem Ablängen, z. B. mittels Ultraschall erfolgen. Geschnitten wird direkt hinter der Schweißnaht, so daß Rohlinge (17) mit einer offenen Stirn (26) und einer geschlossenen Stirn (27) abgelängt werden (Fig. 6B), die dann zu dem Separationselement (31) weiterverarbeitet werden können.

In Fig. 6C ist eine weitere Bündelungsvariante für Separationselementrohlinge (17) dargestellt. Dabei liegen die Rohlinge (17) in Kontakt oder geringem Abstand zueinander in einer Ebene und bilden nach der Abdichtung (bis auf die Abflußkanäle) eine kammartiges, bzw. wenn beide Seiten der Rohlinge (17) eingegossen sind ein cassettenartiges Separationselement (33). Mehrere solcher Rohlingslagen können übereinander liegen. Ist die Verguß oder Dichtmasse (34) aus flexiblen Material, wie z. B. Polyurethan, dann kann ein solches Separationselement (33) wie in Fig. 6D gezeigt auch in gekrümmten Gehäusen betrieben werden.

Prinzipiell lassen sich durch Bündelungen von erfindungsgemäßen Separationselementrohlingen (17) eine große Vielfalt an Elementkonfigurationen erzeugen, so daß die erfindungsgemäßen Separationselementrohlinge (17) nach entsprechender Bündelung und Adaption in einem Großteil der heute marktüblichen Gehäuse installiert und betrieben werden können.

Die erfindungsgemäßen Separationseinheiten (16) lassen sich auch als Bahnware gewinnen, indem z. B. die gebildete erfindungsgemäße Separationseinheit (16) in dem für einen Überlappungsgrad n = 1 notwendigem Winkel eingeschnitten und die sich bildende Bahn aufgewickelt wird. Entscheidend für die resultierende Bahnbreite ist der Kerndurchmesser. Dieser wird bevorzugt sehr groß gewählt. Dadurch minimieren sich die krümmungsbedingten Versatzprobleme. Eine weitere Variante in dieser Hinsicht ist es, nicht auf einem im Querschnitt zylindrischen, sondern auf einem relativ flachen, ellipsenförmigen Dorn zu wickeln. Der dabei gebildete Flachschlauch, kann dann später an den Kanten so aufgeschnitten werden, daß sich zwei Separationseinheitbahnen (16) ergeben.

Will man erfindungsgemäße Separationseinheiten (16) als Flachschlauch aufwickeln, so muß sich die Aufwickelvorrichtung in gleicher Weise drehen, wie der Spiralwickel (16) selbst. Werden nur Schlauchstücke bestimmter Länge benötigt, so können diese in ähnlicher Weise wie Separationselementrohlinge (17) ohne Unterbrechung des Produktionsprozesses abgelängt werden.

Die bahnförmig aufgewickelten, erfindungsgemäßen Separationseinheiten (16) können z. B. einem Plissiervorgang zugeführt werden. Auch ist denkbar daß sie wiederum zu einem herkömmlichen Spiralwickel aufgewickelt werden. Andere Konfektionierungsformen sind rechtwinklige oder anders konfektionierte Filtermatten, Filtertaschen oder runde Filterstanzlinge.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Separationseinheiten (16) ist auch, daß sich die für eine adsorptive Separation häufig notwendigen, relativ dicken Schichten ohne Schwierigkeiten erzeugen lassen und diese nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in zylindrischer Form als Separationselementrohlinge (17) anfallen, die ohne zusätzliche Bearbeitung der eigentlichen Separationseinheit (16) weiterkonfektioniert werden können. Dagegen ist z. B. die Konfektionierung von dicken flächigen Separationseinheiten mittels Plissiertechnik nur bis zu einer gewissen Dicke möglich.

Anhand von Beispielen für den Schichtenaufbau erfindungsgemäßer, mehrschichtiger Separationseinheiten (16) bzw. Separationselementrohlinge (17) und daraus erzeugter Separationselemente (25, 31, 33) soll exemplarisch verdeutlicht werden, welches Verbesserungspotential durch die erfindungsgemäßen Separationseinheiten gegeben ist und welche Anwendungsbreite damit erschlossen werden kann.

Die Ausführungen lassen sich auf viele Separationsprobleme in diversen Industriezweigen übertragen.

Beispiel 1 Klärfilterelemente mit "Zwiebelfunktion"

Für die Klärfiltration trüber Flüssigkeiten, deren Trübung durch dispergierte Partikel oder Fasern hervorgerufen wird reicht zur Klärung in der Regel eine reine Oberflächenfiltration. Als Filtermedium geeignet sind z. B. Meltblownvliese mit einer Porengröße (nach Coulter) von ca. 20 µm. Solche Meltblownvliese lassen sich bereits mit einem Flächengewicht von 20 g/m² zugstabil herstellen. In einer erfindungsgemäßen Separationseinheit (16) werden ca. 30 dieser Schichten übereinandergewickelt. Die angrenzenden Ränder eines Filterbandes (3) überlappen ca. 0,5 cm. Die Überlappungen werden nicht miteinander verschweißt. Gewickelt wird um einen Kern mit ca. 65 mm Durchmesser. Der Gesamtdurchmesser beträgt ca. 70 mm. Durch die hohe Anzahl an gleichen übereinanderliegenden Filterlagen ergibt sich ein Anfangsfilterwiderstand, der den optimalen Aufbau eines Filterkuchens erlaubt. Die Oberfläche solcher Filtereleinheiten kann mehrfach durch Rückspülen vom Filterkuchen befreit werden. Ist dieses nicht mehr ausreichend möglich, wird die äußerste verblockte Filterschicht abgetrennt bzw. abgeschält, was bei dieser erfindungsgemäßen Separationseinheit ohne Schwierigkeiten möglich ist. Ist der Effekt nicht ausreichend, so werden eine oder mehrere weitere Schichten entfernt. Auf diese Weise ist es möglich ein Separationselement bei gleichbleibender Abscheidequalität mehrfach zu verwenden.

Prinzipiell erlauben die erfindungsgemäßen Separationseinheiten (16), die Schicht für Schicht aufgebaut sind, daß diese Schichten auch wieder Schicht für Schicht abgebaut werden können, es sei denn Schichten wurden im Rahmen der Fertigung miteinander verschweißt oder verklebt. Dieser Aspekt ist auch in Hinblick auf ein Recycling oder die Regeneration verbrauchter bzw. erschöpfter Separationselemente bzw. Separationsmittel von großem Interesse.

Beispiel 2 Pollen- und Geruchsfilter für Kraftfahrzeuge

Moderne Kraftfahrzeuge werden heute mit Filtersystemen ausgerüstet, welche die Außenluft, die in die Fahrgastkabine gelangt, von Pollen und üblen Gerüchen reinigen. Als Partikelfilter kommen hier z. B. Meltblownvliese mit Elektreteigenschaften zum Einsatz. Zur Geruchsentfernung werden Aktivkohle oder spezifische, synthetische Adsorberharze verwendet. Bei der üblichen Verarbeitung in Plissiermaschinen ergeben sich in Anwesenheit von Aktivkohle- oder Adsorberharzschichten häufig Schwierigkeiten, da es vor allem an den Plissierkanten zu Beschädigungen kommt. Zusätzlich bereitet die Immobilisierung der Aktivkohle bzw. Adsorberharze technische Schwierigkeiten und ist somit sehr kostenintensiv.

Im folgenden wird beschrieben, wie gemäß der vorliegenden Erfindung die Separationseinheit (16) eines geeigneten Separationselementes der oben genannten Art aufgebaut sein und wie sie hergestellt werden kann. Einen Querschnitt durch eine entsprechende Separationseinheit (16) zeigt Fig. 7A. Ausgehend von der Fig. 1 wird mit den Separationsmittelschichten (3) und (4) aus offenen, groben Netzgittern auf dem ca. 5 mm dicken Wickeldorn (2) der Kern des Separationselementrohlings (17) in line gebildet. Auf diesen "Kern" wird zunächst die Separationsmittelbahn (6) gewickelt, hierbei handelt es sich um ein dünnes Spunbond- oder Meltblownvlies, mit Poren die kleiner sind als die der Partikel, die als Adsorber eingebracht werden sollen. Diese Vliese haben weiterhin einen höheren Schmelzpunkt, als die nächste Separationsmittelbahn (7). Weiterhin werden die Ränder der Bahn (6) an der Schweißstation (11) leckdicht miteinander verschweißt. Die Separationsmittelbahn (7) ist ein dünnes Schmelzklebervlies, auf das bei der Dosierstation (12) eine homogene Schicht (24) an Adsorberpartikeln aufgebracht wird. Mittels der Heizstation (13) wird das Schmelzklebervlies (7) so aktiviert, daß die Adsorberteilchen zum größten Teil an diesem Vlies haften bleiben. Wird nur eine Schicht an Adsorberpartikeln (24) benötigt so bleiben die Stationen (12&min;, 12&min;&min;, 13&min;, 13&min;&min;) außer Betrieb und die Bahnen (8) und (9) laufen nicht mit ein. Werden zwei oder drei Adsorberschichten benötigt, so wiederholen sich die Vorgänge wie für die Bahn (7). Bevor das Meltblownvlies (10), das die Funktion des Partikelfilters übernimmt, als nächste Schicht aufgewickelt wird, wird es in einer Koronastrecke nochmals so elektrisch aufgeladen, daß es einen permanenten Elektretcharakter erhält. Die Ränder der Separationsmittelbahn (10) werden an der Station (11&min;) leckdicht miteinander verschweißt. Die Separationsmittelbahn (5) aus einem offenen Spunbondvlies dient als äußere Schutzschicht. Diese wird an der Station (11&min;&min;) durch Verschweißung verfestigt.

Beim Einwickeln von nur einer Adsorberteilchenschicht (24) ergibt sich für den Separationselementrohling (17) bzw. für die zylindrisch geformte Separationseinheit (16) ein Durchmesser von ca. 15 mm. Bei einer Länge von 250 mm beträgt die Oberfläche dann ca. 117 cm². Bündelt man 7 solcher Einheiten gemäß Fig. 5A, so beträgt die Gesamtoberfläche 824 cm², bei einem Durchmesser von 45 mm für das Separationselement (31). Bei Bündelung gemäß Fig. 5D ergeben 19 Einheiten eine Fläche von 0,22 m² bei einem Durchmesser von 75 mm. Bei einer zweischichtigen Anordnung gemäß Fig. 6C, ergäbe sich für ein Separationselement (33) mit den Maßen 250 * 250 * 35 mm³ eine Filteroberfläche von 0,375 m².

Wenn eine Geruchsbelästigung nicht vorliegt, kann man im selben Gehäuse auch Filter ohne Geruchsentferner betreiben. Umgekehrt sind auch Geruchsfilter ohne zusätzlichen Partikelfilter denkbar.

Siehe auch Beispiel 4.

Beispiel 3 Filterelement für die Entkalkung kleiner Wassermengen

Erhitzt man Wasser über 65°C so fällt je nach Härtegrad Kesselstein bzw. Calciumcarbonat aus. Diese sog. temporäre Härte des Wassers führt nicht nur zu Kalkablagerungen, sondern beeinflußt z. B. auch den Geschmack von Heißgetränken wie Tee usw. Eine Verfahren Wasser zu enthärten, ist die Behandlung mit Kationenaustauschern. Dies ist z. B. in jeder Spülmaschine Stand der Technik. Hier wird jedoch in der Regel das Wasser zunächst enthärtet und dann erhitzt. Für diverse andere Anwendungen erscheint es aber wirtschaftlich sinnvoller zu sein, zuerst aus dem erhitzen Wasser, die sich bildenden Kalkablagerungen über einen relativ groben Filter abzuscheiden und nur die Resthärte mittels Ionenaustauscher zu entfernen. Eine erfindungsgemäße Separationseinheit (16) bzw. ein Separationselementrohling (17) entspricht dem von Beispiel 2, jedoch wird als partikuläre Schicht (24) ein Kationenaustauscher eingebracht und die Meltblownschicht (10) besitzt eine Porengröße (nach Coulter) um 40 µm. Ein solches Filterelement hat sich im Versuch z. B. in einem System bewährt, bei dem das Wasser für die Scheibenwischerwaschanlage eines Kraftfahrzeuges durch Wärmeaustausch über den Kühlkreislauf erhitzt wird. Da hier deutlich Temperaturen über 65°C erreicht werden, kam es zunächst durch Kalkablagerung immer wieder zur Verstopfung der Sprühdüsen. Mit dem Separationselement, daß die erfindungsgemäße Separationseinheit (16) enthielt und welches nach der Wärmetauscherspirale installiert war, traten keine Verstopfungen der Scheibenwischerdüsen mehr auf.

Siehe auch Beispiel 4.

Beispiel 4 Separationseinheiten mit unterschiedlich wirkenden Separationsmitteln

Eine gängige Methode zur Klärung von Flüssigkeiten wie Bier, Wein und anderen biotechnologisch hergestellten Medien ist z. B. die Behandlung mit Kieselgur. In Analogie zu Beispiel 2 oder 3 lassen sich Separationseinheiten (16) realisieren, die mehrere partikuläre Separationsschichten, z. B. in Form von unterschiedlich feinen Kieselguren enthalten. Fig. 7B zeigt einen Querschnitt durch eine solche zylindrische Separationseinheit (16). Dabei wird der Stützkern (21) von einem Spunbondvlies (3) umhüllt, daß als Stützvlies wirkt. Die Separationsmittelbahn (4) ist ein kalandriertes Meltblownvlies, daß auch Hefen absolut zurückhält. Die Separationsmittelbahn (7) ist ein Spunbondvlies, auf dem ein relativ dickes, grobes Netzgitter (6) liegt. Diese beiden Schichten wurden vorher zusammen auf einer Rolle aufgerollt. Auf diese Doppelschicht wird eine Schicht feine Gur (24) mittels einer Dosierstation aufgebracht, wobei die Gur die Hohlräume des groben Gitters (6) füllt. Es folgt eine weiter Doppelschicht aus einem Spunbondvlies (7&min;) und einem groben Gitter (6&min;) auf die eine grobe Gur (24&min;) aufgebracht wird. Die äußerste Schicht (5) bildet wiederum ein Spunbondvlies oder ein grobes Meltblownvlies.

In analoger Weise könnte anstatt der feinen Gur (24) z. B. PVPP zur Eiweißstabilisierung als Separationsmittel eingebracht werden oder bei der Herstellung der Separationseinheit (16) zunächst eine PVPP Schicht gebildet werden und dann erst die gestuften Kieselgurschichten.

Für andere Anwendungen bietet sich z. B. der abwechselnde Einbau von einem anionischen und kationischen Ionenaustauscher (Entionisierung von Wasser) oder eine Kombination von Trockenmitteln mit Katalysatoren (Entgiftung und Trocknung von Luft) an. Auch ist es denkbar, daß in den einzelnen Zwischenschichten unterschiedliche Mikroorganismen immobilisiert sind, die z. B. eine Denitrifikation von entsprechend belasteten Wässern bewirken können. Für die Behandlung kolloidbelasteter Flüssigkeiten oder von Flüssigkeiten, die entpyrogenisiert werden sollen, ist es in analoger Weise möglich Separationsmittel oder Separationsmittelbahnen mit positivem und oder negativem Zetapotential in eine erfindungsgemäße Separationseinheit (16) einzubauen.

Beispiel 5 Filterelemente mit einer Separationseinheit, die eine sehr feine Abstufung im Abscheidegrad vom Außenumfang zum Stützkern hin hat

Stand der Technik sind z. B. Filterkerzen mit ca. 62 mm Durchmesser und einer Dicke der Separationseinheit (16) von ca. 12 mm. Die Separationseinheit (16) besteht dabei aus ca. 60-80 Lagen von vorgefertigten Meltblownvliesen mit Flächenmassen zwischen 30 und 50 g/m². Um eine gestufte Filtration zu bewerkstelligen, d. h. von grob nach fein zu filtrieren, werden in solche Filterelementen Vliese mit verschiedenem Abscheidegrad aneinandergestückelt und diese spiralförmig aufgewickelt. Dabei beschränkt man sich aus wirtschaftlichen Gründen bei der Abstufung in der Regel auf fünf Filtermedien pro Filterelementtyp, da bereits hier alle 1,5 bis 2 Laufmeter eine Stückelung erforderlich ist. Wollte man eine Schicht für Schicht Abstufung erreichen, so müßte man am Kern alle 13 cm, günstigsten Falls aber alle 20 cm stückeln. Insgesamt müßte pro Kerze ca. 60 bis 80 mal gestückelt werden. Für die erfindungsgemäßen Separationseinheiten (16) ist es bei einem kontinuierlichem Fertigungsprozeß möglich, Schicht für Schicht eine Abstufung zu realisieren. Geht man von Vorratsrollen aus, in denen acht Schichten bereits in der richtigen Abstufung übereinander gerollt wurden und sorgt man dafür, daß der Einlaufwinkel einen randschlüssigen Wickel erlaubt, so ist dies gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens mit acht bis zehn Vorratsrollen realisierbar. Es ist aber auch möglich mit sehr schmalen Vorratsrollen mit geringer Überlappung zu arbeiten. Bei einer Breite von z. B. 100 mm benötigen dann 80 verschiedene Vorratsrollen, die eine Abstufung über 80 Stufen erlauben, eine Breite des Vorratsgatters von nur ca. 10 m.

Beispiel 6 Separationseinheiten mit Bypasswegen von Schicht zu Schicht

Bei Wickelfilterkerzen, die durch einfaches, spiraliges Aufeinanderwickeln von Separationsmittelbahnen erzeugt werden (vergleiche Beispiel 5) ist es für manche Anwendungen ein Nachteil, daß das Filterelement verworfen werden muß, wenn nur eine Schicht der Separationseinheit verblockt ist. Eine erfindungsgemäße Separationseinheit (16) behebt diesen Nachteil dadurch, daß alle oder einzelne Separationsmittelbahnen aus z. B. zwei Schichten bestehen, wobei eine dieser Schichten so grob ist, daß auch eine seitliche Passage des zu behandelnden Fluids möglich ist. Werden solche Doppelschichten erfindungsgemäß überlappend gewickelt, so ergibt sich an jeder Überlappungsstelle, die Möglichkeit des Querbypasses, wenn über einer Separationsfläche ein Differenzdruck auftritt, der größer ist, als der für den Bypassweg. Die prinzipiellen Verhältnisse gibt Fig. 8 schematisch wieder. Dargestellt sind eine einlagige innere Separationsmittelbahn (3) und ebenfalls einlagige äußere Separationsmittelbahn (5). Dazwischen liegen die Doppelschichten (4), (6) und (7) mit den Querdrainagen (4&min;&min;), (6&min;&min;) und (7&min;&min;). Sind alle Schichten unbelastet, so strömt das zu behandelnde Medium vor allem in Analogie zur Linie (35). Nimmt die Verblockung der Separationsmittelschicht (7&min;) zu, so wird ein Teil des Unfiltrates analogen Wegen wie dem Bypassweg (36) folgen. Verblockt auch die Separationsmittelbahn (6&min;), so werden auch Wege wie der Bypassweg (37) immer wahrscheinlicher.

Beispiel 7 Separationseinheit mit immobilisierten Hefen

Für die Flaschengärung von Sekt ist es heute ein Ziel, die Hefe, welche die zweite Gärung bewirkt nicht einfach in die Flasche zu geben, da sie nach dem Absterben in umständlicher Weise durch Schütteln zunächst am Flaschenhals gesammelt werden und schließlich eingefroren als Pfropfen aus dieser wieder entfernt werden muß. In einer erfindungsgemäßen Separationseinheit (16) bzw. einem Separationselementrohling (17) ist die Hefe immobilisiert. Die Stirnflächen (26, 27) des Separationselementrohlings (17) sind wie in Abb. 4B leckdicht verschweißt. Der Querschnitt der Separationseinheit (16) ist in Fig. 7C dargestellt. Den Innenkern bildet ein stabiles Gitternetz (3). Darüber ist eine hydrophobe Membran (4), z. B. aus PTFE oder PVDF mit einer Porengröße um 1 µm oder kleiner gewickelt, deren Seitenränder miteinander verklebt oder verschweißt sind. Diese Membran (4) wird von einer Spunbondschicht (6) geschützt. Als nächstes wird eine Doppelschicht (7, 8) aus einem Spunbondvlies (8) und einem daraufliegenden groben Gitternetz (7) gewickelt, wobei über eine Dosierstation in die Hohlräume des Gitternetzes (7) die für die zweite Gärung notwendige Trockenhefe (22) als Separationsmittel eingebracht wird. Die äußere Schicht (5) ist eine hydrophile Membran mit einer Porengröße um 1 µm oder kleiner. Auch hier sind die Seitenränder dicht miteinander verbunden. Zur zweiten Gärung wird eine solche Separationseinheit (8), bei der wie in Fig. 4B die Stirnseiten (26, 27) verschlossen sind, z. B. mit einem Distanzstück verbunden und durch den Flaschenhals in die für die zweite Gärung vorbereitete Sektflasche eingeführt. Das Distanzstück sorgt durch seine Konstruktion dafür, daß dieses Separationselement in der Flasche unabhängig von deren Lage fixiert ist und das nach Beendigung der neunmonatigen Flaschengärung, nach Entfernen des Kronkorkenverschlusses, das Separationselement samt abgestorbener Hefe leicht entfernt werden kann. Beim Gärprozeß strömen innerhalb der 9 Monate Gärzeit die gesamten vergärbare Substanzen, auf Grund von Konzentrationsunterschieden oder Bewegungen der Flasche, irgend einmal durch die hydrophile Membran (5). Das Stoffwechselprodukt Alkohol gelangt durch die hydrophile Membran (5) wieder in den Flaschenraum, während das Stoffwechselprodukt Kohlendioxid über die hydrophobe Membran (4) in Flaschenraum gelangt. Die Hefen sind zu groß, um die Membranen zu passieren und verbleiben auch nach dem Absterben in der Separationseinheit (16). Das Gitternetz (7) schließlich sorgt dafür, daß die Hefen gleichmäßig über die Flächen der Membranfilter (5) und (4) verteilt bleiben und günstige Wachstumsbedingungen haben.

Beispiel 8 Asymmetrische Separationseinheit aus Meltblownvliesen

Für plissierte Filterkerzen für die Feinfiltration ist es z. B. üblich mehrere Meltblownvliese übereinander zu plissieren, um Filtereinheiten mit einem asymmetrischen Porencharakter zu erzeugen. Limitierend für die Erzeugung solcher asymmetrischen Separationseinheiten ist zum einen die Anzahl der möglichen Abrollstationen, zum anderen die aus vielen Einzelschichten resultierende Dicke der gebildeten Filtereinheit, wobei zu berücksichtigen ist, daß aus Stabilitätsgründen eine für den Plissierprozeß geeignete Filterschicht in der Regel mindesten 15 g/m² Flächengewicht haben muß. Erfindungsgemäße Filterschichten erlauben eine Schicht für Schicht Abstufung mit Schichten die nur bis zu 2 g/m² Flächenmasse haben.

Nach Herstellung einer im Querschnitt ellipsenförmigen Separationseinheit (16) mit der gewünschten vielschichtigen Asymmetrie, wird der Separationsmittelschlauch (16) z. B. zunächst als Flachschlauch aufgewickelt und dieser dann in Bahnen geschnitten oder er wird in line geschnitten und die gebildete Bahnware sofort aufgewickelt. Ggf. kann vor einer Weiterverarbeitung, z. B. durch Plissieren, ein Kalandrierschritt erfolgen, um eine noch feinere, asymmetrische Porenstruktur zu erzeugen.


Anspruch[de]
  1. 1. Mehrschichtige Separationseinheit für die Separation von flüssigen oder gasförmigen Medien aus mindestens zwei Separationsmittelbahnen, die jeweils von einer Vorratsrolle abwickelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Separationsmittelbahn (3-10) durch eine schraubenförmige Anordnung mit einem Überlappungsgrad (n) von mindestens 1, d. h. einer bündigen oder sich überlappenden Anordnung von aneinandergrenzenden Seitenrändern einer Separationsmittelbahn, für sich eine individuelle, homogene Separationsmittelschicht bildet.
  2. 2. Separationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angrenzenden oder überlappenden Seitenränder der Separationsmittelbahnen (3-10) der einzelnen Schichten die gleiche Laufrichtung haben.
  3. 3. Separationseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der schraubenförmig angeordneten Separationsmittelbahnschichten, durch einen Überlappungsgrad (n) von größer 1 der Seitenränder der Separationsmittelbahn, mehr als einlagig ist.
  4. 4. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch Verkleben oder Verschweißen von sich überlappenden Seitenrändern, zumindest einer Separationsmittelbahn, zumindest eine Separationsmittelschicht enthält, die keinen Bypass für ein zu separierendes Medium erlaubt.
  5. 5. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mindestens eine Schicht aus nicht bahnförmigen Separationsmitteln oder bahnförmigen Separationsmitteln mit sich nicht berührenden Seitenrändern, also mit einem Überlappungsgrad (n) kleiner als 1, enthält, die die Separation unterstützt.
  6. 6. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationseinheit schlauchförmig ausgebildet ist.
  7. 7. Separationseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch zylindrisch ist.
  8. 8. Separationseinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Separationseinheitsschlauches an einen Stützkern (21) angrenzt.
  9. 9. Separationseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkern (21) ebenfalls durch schraubenförmiges Aufwickeln einer bahnförmigen Lage gebildet ist.
  10. 10. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationseinheit ein Flachmaterial ist, das durch Aufschneiden eines Separationseinheitschlauches erzeugt wird.
  11. 11. Separationseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachmaterial nachbehandelt wird.
  12. 12. Separationseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbehandlung ein Kalandriervorgang ist.
  13. 13. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationseinheit aktivierbare Separationsschichten enthält.
  14. 14. Separationseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aktivierbaren Separationsschichten Klebeeigenschaften haben.
  15. 15. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationseinheit Separationsschichten enthält, die zur Versteifung der Separationseinheit dienen.
  16. 16. Separationseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Separationsmittelschicht Mikroorganismen enthält.
  17. 17. Separationselemente, dadurch gekennzeichnet, daß sie Separationseinheiten nach Anspruch 1 bis 16 enthalten.
  18. 18. Separationselemente gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehr als einem zylindrische Separationselementrohling bestehen.
  19. 19. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Separationseinheit bei dem zumindest zwei vorgefertigte Separationsmittelbahnen von jeweils einer Vorratsrolle abgewickelt werden und aufeinander folgend über einem Wickeldorn schraubenförmig aufgewickelt werden.
  20. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmige Aufwicklung für beide Separationsmittelbahnen gleichzeitig bei gleicher Wickelrichtung erfolgt.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß nicht bahnförmige und nicht abrollbare Separationsmittel auf mindestens eine einlaufende Separationsmittelbahn zu Bildung zusätzlicher Separationsmittelschichten der Separationseinheit aufgetragen werden.
  22. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer oder mehrerer über einer oder mehreren einlaufenden Separationsmittelbahnen angeordneter Vorrichtungen vor dem Einlauf in den Schraubenwickel eine Bahnbehandlung oder Bahnbeschichtung erfolgt.
  23. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer oder mehrerer über geeigneten Stellen der sich bildenden bzw. gebildeten schlauchförmigen Separationseinheit installierten Vorrichtungen eine Nachbehandlung des Schraubenwickels erfolgt.
  24. 24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Nachbehandlungsvorrichtung ein Verschweißen überlappender Seitenränder einer Separationsmittelbahn erfolgt.
  25. 25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Nachbehandlungsvorrichtung eine Andruckwalze (14, 14&min;) zur Wickelverfestigung ist.
  26. 26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Separationseinheit auf einem ein Stützkern (21) als Wickeldorn erfolgt, der bei der Separationseinheit verbleibt.
  27. 27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Separationseinheit verbleibende Stützkern (21) durch Anstückeln von vorgefertigten Kernsegmenten (21, 21&min;) erzeugt wird.
  28. 28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Separationseinheit verbleibende Stützkern (21) aus einer oder mehreren geeigneten vorgefertigten Separationsmittelbahnen als Schraubenspirale erzeugt wird.
  29. 29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete schlauchförmige Separationseinheit als Flachschlauch aufgewickelt wird.
  30. 30. Verfahren nach Anspruch 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete schlauchförmige Separationseinheit hinter einer entsprechenden Schneideeinrichtung als Flachbahn aufgewickelt wird.
  31. 31. Verfahren nach Anspruch 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete schlauchförmige Separationseinheit segmentartig als Separationselementrohling abgelängt wird.






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