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Dokumentenidentifikation DE3916745C2 04.12.1997
Titel Filtervorrichtung mit einer rohrförmigen Filterpatrone
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Nodes, Rudolf, 7030 Böblingen, DE
DE-Anmeldedatum 23.05.1989
DE-Aktenzeichen 3916745
Offenlegungstag 29.11.1990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.12.1997
IPC-Hauptklasse B01D 29/15
IPC-Nebenklasse B01D 29/66   B01D 27/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung mit einer rohrförmigen Filterpatrone zur statischen Filtration, insbesondere von stark kolloidal belasteten Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine solche Filterpatrone und ihre Anordnung in einem mehrere Filterpatronen aufnehmenden Gehäuse ist z. B. bekannt durch die DE 33 35 938 C1 und EP 23 548 A1. Die Anordnung eines großformatigen Filterelementes für die Vorfiltration ist z. B. bekannt durch die DE 38 16 434 A1.

Rohrförmige Filterpatronen aus den verschiedensten Filtermaterialien sind z. B. bekannt durch die DE 37 40 249 C1, bei denen die verschiedensten Filtermaterialien mit Tiefenwirkung oder porösen Membranfiltern in gewickelter Form kombiniert sind.

Durch die GB 2 152 471 A sind Filterpatronen aus spulenformig aufgewickelten Endlosfäden als reine Tiefenfilter bekannt. Durch das deutsche Gebrauchsmuster 81 21 211.9 sind Filterpatronen bekannt, bei denen mehrlagig aufgebaute Filterschichten aus Vorfiltermaterialien und porösen Membranfiltermaterialien in Falten plissiert und an ihren beiden Faltenenden zu einem Hohlzylinder verbunden sind.

In der Getränkeindustrie haben sich derartige Filterpatronen in den verschiedensten Kombinationen der Filtermedien etabliert, und zwar im Zusammenhang mit vertikal orientierten zylindrischen Standgehäusen, die aus einem die Haupt- Fluidanschlüsse aufnehmenden Gehäuseunterteil und einem damit lösbar verbundenen Gehäusedom bestehen, welcher einteilig oder mehrteilig nach oben entfernbar ist. In diesen Dom ragen die mit der Gehäusebasis verbindbaren Filterpatronen. Die Innenhöhe des die Filterpatronen aufnehmenden Gehäusedoms liegt häufig zwischen 760 mm und 1300 mm.

Nach der US 45 61 979 ist eine Filtervorrichtung aus Gehäuseunterteil und Gehäusedom bekannt, in der eine rohrförmige Filterpatrone eingeschlossen ist. In dieser Filtervorrichtung wird die Rein- von der Trübseite durch eine flexible Trennplatte abgetrennt. Der vom Filtermaterial gebildete Rohrkörper umschließt innenseitig drainierend ein Steigrohr, dessen oberes offenes Ende im Bereich der obersten wirksamen Filterfläche des Rohrkörpers endet und dessen unteres Ende mit einer Abschlußkappe verbunden ist. Über das Steigrohr wird die Filtervorrichtung von dem sich im Gehäusedom ansammelnden Gas während des Filtrationsvorgangs entlüftet. Nachteilig ist, daß die verschmutzten Filterpatronen nicht im eingebauten Zustand durch Rückspülen gereinigt werden können, sondern durch Lösen der flexiblen Trennwand zur externen Reinigung aus der Filtervorrichtung entfernt werden müssen.

Bei der Filtration von stark kolloidal belasteten Flüssigkeiten, wie sie beispielsweise bei der Wein- und Bierfiltration anstehen, erfolgt im Laufe des Filtrationsprozesses aufgrund der physikalischen Gegebenheiten ein langsamer Aufbau einer Deckschicht aus kolloidalen Bestandteilen auf der Außenseite der Filterpatrone. Die Grenzfläche zunehmender Filterbelegung wandert dabei von unten nach oben, so daß sich im Laufe der Zeit eine kegelförmige Deckschicht auf der Außenseite der filterwirksamen Schicht der Filterpatrone aufbaut. Dadurch ändern sich die Fließgeschwindigkeit, Durchflußgeschwindigkeit und Strömungsverhältnisse in der Filterpatrone und im Gehäuse. Die Filtrationsleistung sinkt mit Zunahme der Deckschicht ab. Durch die kegelförmige Belegung der Patronenoberfläche durch die Deckschicht ist die Verblockung bzw. ist der Durchlaßwiderstand über die Patronenlänge ungleich, was sich wieder als nachteilig bei periodisch durchzuführenden Spülvorgängen bemerkbar macht, da sich aufgrund der unterschiedlichen Belegung der Filteroberflächen bei der Spülung und Reinigung bevorzugte Strömungswege einstellen und der Filterbelag nur mit erheblichen Spülflüssigkeitsmengen und erheblichem Zeitaufwand und apparativem Aufwand von der Patronenoberfläche entfernt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Mitteln bei Filterpatronen für die statische Filtration der eingangs genannten Gattung zur vertikalen Anordnung in Gehäusen mit tiefliegenden Fluidanschlüssen eine ungleichmäßige Verblockung während des Filtrationsbetriebes weitgehend zu verhindern und eine gleichmäßige Reinigung mit Spülflüssigkeit während des Regenerationsvorganges zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindungsgedanke wird anhand der beiliegenden Zeichnung verdeutlicht. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine Filtervorrichtung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine Filtervorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Filtervorrichtung nach der Erfindung in einer praktischen Ausführungsform.

Bei der zum Stand der Technik gehörenden Filtereinrichtung nach Fig. 1 besteht diese aus einem Gehäuseunterteil 1 mit einem Retentatanschluß 5, einem Permeatanschluß 4 und einem lösbar damit verbundenen Gehäusedom 2 mit einem oberen Gasanschluß 9 zur Entlüftung und Gasbeaufschlagung des Gehäuses. Die Filterpatrone F ist vertikal ausgerichtet lösbar mit dem Gehäuseunterteil 1 verbunden. Die Gehäusehöhe beträgt beispielsweise 760 mm. Bei der Einströmung des Retentats durch den Anschluß 5 in den Gehäuseraum baut sich aufgrund der Druckverhältnisse und Strömungswiderstände langsam am unteren Teil der Filterpatrone F, also oberhalb der Anschlußkappe ein Filterbelag B auf, dessen Grenzfläche G langsam nach oben wandert, wobei sich der Belag B kegelförmig von unten nach oben aufbaut. Dadurch verändern sich die Druckverhältnisse P1 am Anschluß 5 und P2 am Anschluß 4. Bei einer 30&min;&min;-Kerze lastet auf der Grenzfläche G ein maximaler Druck von P1 + ca. 760 mm Ws (Gehäusehöhe), so daß genau an der Grenzfläche G eine erhöhte Fließgeschwindigkeit entsteht. Diese Wirkung wird noch dadurch verstärkt, daß im Inneren der Filterpatronen der entstehende Staudruck bis zur Grenzfläche G entgegenwirkt. Durch die erhöhte Fließgeschwindigkeit an der Grenzfläche G wird das Rückhaltevermögen, vor allem kolloidaler Bestandteile, vermindert. Die Grenzfläche G wandert, abhängig von den vorherrschenden Druckverhältnissen, nach oben und beginnt dann wieder von unten. Es erfolgt eine kegelartige Belegung der Filterpatrone. Dadurch entstehen ständig neue Grenzflächen G mit erhöhter Fließgeschwindigkeit, an denen dadurch das Rückhaltevermögen geschwächt wird. Bei der vorgeschriebenen zyklischen Freispülung der Filterpatrone wirkt sich ein derartiger Aufbau des Filtersystems nach dem Stand der Technik insofern ungünstig aus, als eine komplette Freispülung der Filterpatrone über die Gesamtlänge nur mit erheblichem Zeitaufwand und Aufwand an Spülmittelmengen sich erreichen läßt.

Zur Beseitigung dieser Mängel der bekannten Filtervorrichtungen wird gemäß Fig. 2 vorgeschlagen, im Inneren der Filterpatrone F ein Steigrohr 6 anzuordnen, welches einen drainierenden Abstand zwischen der Innenseite des Filterrohrkörpers 10 und der Außenseite des Steigrohres freiläßt und einen Hauptablauf des Permeats nur im oberen Bereich, zweckmäßig oberhalb des filtrierenden Rohrkörpers 10 zuläßt. Dadurch wird ein von unten nach oben durchgehender Ringraum 10&min; gebildet, wobei dessen Querschnitt, der Innenquerschnitt des Steigrohres 6, Steigrohrlänge und Δh entsprechend der Filterleistung des Filterelementes aufeinander abgestimmt sind.

Zur Durchführung einer periodischen Spülung und Abbau eines sich auf der Außenseite der Filterpatrone F abgelagerten Belages B erfolgt eine geregelte Entlüftung über das Steuerventil S2 (zeit-/volumengesteuert über einen MINICHECKER mit umgekehrter Funktion), so daß der Flüssigkeitsspiegel (Spülwasser bzw. Reinigungsmittel) langsam nach oben steigt und so die gleichmäßige Spülung bzw. Reinigung der Filterpatrone F über die gesamte Länge gewährleistet. Die gesteuerte Spülung erfolgt, indem über das Steuerventil S1 am Gasanschluß 9 Druckluft bzw. Inertgas mit dem Druck Px eingespeist wird. Bei geringem Δp = (S1 - S2) kann mit hohem Druck stufenweise der Höhe nach gespült werden, z. B. bei einer Ausgangsposition: Px = P1 erfolgt der Start, indem Ventil S1 im eingestellten Zeittakt öffnet und schließt, so daß der Flüssigkeitsspiegel FS im gleichen Takt nach oben steigt. Am Anschluß 4 ist ebenfalls ein gesteuertes Ventil S3 vorgesehen.

Das hier beschriebene Prinzip funktioniert sowohl bei Filterpatronen, bei denen der rohrförmige Filterkörper 10 einheitlich entweder aus Tiefenfiltermaterial oder aus Membranfiltermaterial besteht oder aus Mischmaterialien, wie sie häufig bei Vorfilterkerzen Verwendung finden als auch bei der Kombination eines Vorfiltermaterials mit einem in Filtrationsrichtung stromabwärts nachgeschalteten Membranfiltermaterial oder einem folienförmigen Material, dessen Bubble-Point über dem Druck der anstehenden Wassersäule (Länge des Steigrohres) liegt.

Besteht der Rohrkörper 10 aus Tiefenfiltermaterial, so ist es notwendig, daß zusätzlich ein Steigrohr 17 auf der Außenseite der Filterpatrone F vorgesehen ist, welches eine untere Öffnung 17&min; aufweist, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Filtergehäuse 1, 2 aus Edelstahl verfügt über nicht dargestellte Spannmittel und über die O-Ringdichtungen 14 wie vorstehend beschrieben. In eine Durchbrechung 3 der Gehäusebasis 1 ist über die Anschlußkappe 13 mit angeformten Stutzen 13&min; und O-Ringdichtungen 14 die Filterpatrone F eingesetzt und über Verriegelungselemente 15 an der Gehäusebasis 1 axial und radial fixiert. Der vom Filtermaterial gebildete Filterkörper 10 ist am unteren Ende durch Dichtungsmasse 12, Schweißung oder dergleichen mit der Anschlußkappe 13 aus Kunststoff und in gleicher Weise am oberen Ende mit der Endkappe 11 leckdicht verbunden. Der Stutzen 13&min; der Anschlußkappe 13 verlängert sich nach oben in ein damit verschweißtes Steigrohr 6, welches mit seiner oberen Öffnung 8 im Bereich der oberen Endkappe 11 endet und in diesem Bereich eine Verbindung zu dem Ringraum 10&min; herstellt, der bis in den Fußpunkt des Rohrkörpers 10, vorzugsweise zumindest als Stichkanal bis in den Bereich des Stutzens 13&min; der Anschlußkappe 13 reicht und in einer Öffnung 7 endet, die zur Entleerung des Restvolumens im Ringraum 10&min; dient. Der Ringraumquerschnitt und der Innenquerschnitt des Steigrohres 6 ist dabei auf die spezifische Filtrationsleistung des Filterelementes F abgestimmt. Je nach Aufbau des Rohrkörpers 10 als Spiralwicklung, Plissierzylinder oder Fadenwickel ist der Ringraum 10&min; durch einen drainierenden Stützkörper 18 in Form eines Gewebes oder eines perforierten und profilierten Rohres ausgebildet. Es ist aber auch möglich, den Stützkörper 18 und das Steigrohr 6 als einstückiges Kunststoffspritzteil auszubilden, welches die Funktion von 6 und 18 erfüllt. Gleiches gilt für das äußere Steigrohr 17 mit den unteren Öffnungsschlitzen 17&min; und einer drainierenden Rückstau- Sicherung 19.

Bei der Verwendung von relativ feinporigen Membranfiltern kann das hier im wesentlichen geschlossen ausgebildete Steigrohr 17 wie üblich als perforierter Zylinder ausgebildet sein.

Die obere Endkappe 11 ist durch einen Kappendom ergänzt, so daß das Steigrohr 6 mit seiner Öffnung 8 bis über die filterwirksame Zone des Rohrkörpers 10 hinausgeführt werden kann, wobei der Ringraum 10&min; entsprechend weitergeführt ist.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das innere Steigrohr 6, gegebenenfalls lösbarer, Bestandteil der Gehäusebasis 1.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das äußere Steigrohr 17, gegebenenfalls lösbarer, Bestandteil der Gehäusebasis 1.

Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäße Filtervorrichtung hat sich insbesondere bei der Essig-, Wein- und Bierfiltration bewährt. Bei periodisch durchzuführenden Spül- und Reinigungsvorgängen werden nur noch geringe Wassermengen für die Spülung notwendig, weil der Spülvorgang mengen- und zeitgesteuert ablaufen kann, was vor allem bei Großanlagen wichtige Faktoren sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Filtervorrichtung mit einer rohrförmigen Filterpatrone (F) zur statischen Filtration, insbesondere von stark kolloidal belasteten Flüssigkeiten, gebildet aus einem Filtermaterial für das zu gewinnende Permeat bzw. für eine das Filtermaterial zwecks Regeneration freispülende Reinigungsflüssigkeit, wobei ein offenes Patronenende durch eine trübseitige Endkappe (11) leckdicht verschlossen ist und das andere offene Patronenende durch eine integrierte Anschlußkappe (13) an einen tiefliegenden Anschluß (3, 4) oder Gehäuseraum für die Permeatabführung eines die vertikal ausgerichtete Filterpatrone (F) umschließenden Gehäuses (1, 2) anschließbar ist und die Außenseite der Filterpatrone (F) in einen Gehäuseraum (2&min;) ragt, der einen Anschluß (5) für die Retentatzuführung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Filtermaterial gebildete Rohrkörper (10) innenseitig ein Steigrohr (6) unter Ausbildung eines Ringraumes (10&min;) drainierend umschließt, dessen oberes offenes Ende (8) im Bereich der obersten wirksamen Filterfläche des Rohrkörpers (10) unter Ausbildung einer Überströmmöglichkeit zwischen dem Steigrohr (6) und dem Ringraum (10&min;) endet und dessen unteres Ende mit der Anschlußkappe (13) fest oder lösbar verbunden ist und an seiner tiefsten Stelle des durch den Rohrkörper (10) und das Steigrohr (6) gebildeten Ringraumes (10&min;) eine Entleerungsöffnung (7) für das Ringraumvolumen aufweist, die in einer dem Ringraum (10&min;) benachbarte Fluidkammer mündet.
  2. 2. Filtervorrichtung mit einem rohrförmigen Filterkörper zur statischen Filtration, insbesondere von stark kolloidal belasteten Flüssigkeiten, gebildet aus einem Filtermaterial für das zu gewinnende Permeat bzw. für eine das Filtermaterial zwecks Regeneration freispülender Reinigungsflüssigkeit und einem in Filtrationsrichtung stromabwärts folgenden Membranfilter mit höherem Durchflußwiderstand als das stromaufwärts angeordnete Filtermaterial, wobei ein offenes Patronenende durch eine trübseitige Endkappe (11) leckdicht verschlossen ist und das andere offene Patronenende durch eine integrierte Anschlußkappe (13) an einen tiefliegenden Anschluß (3, 4) oder Gehäuseraum für die Permeatabführung eines die vertikal ausgerichtete Filterpatrone (F) umschließenden Gehäuses (1, 2) anschließbar ist und die Außenseite der Filterpatrone in einen Gehäuseraum (2&min;) ragt, der einen Anschluß (5) für die Retentatzuführung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Filtermaterial mit geringem Durchflußwiderstand gebildete Rohrkörper (10) außenseitig von einem Steigrohr (17) drainierend umschlossen ist, dessen unteres offenes Ende (17&min;) im Bereich der untersten wirksamen Filterfläche des Rohrkörpers (10) endet und dessen oberes Ende mit der Endkappe (11) des Rohrkörpers (10) verbunden ist oder diese bildet.
  3. 3. Rohrförmige Filterpatrone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (6 und/oder 17) Bestandteil der auswechselbaren Filterpatrone (F) ist.
  4. 4. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Steigrohr (6) Bestandteil des Gehäuses (1, 2) ist und in seinem unteren Bereich über eine Ringdichtung mit der Anschlußkappe (13) der Filterpatrone (F) verbindbar ist.
  5. 5. Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Steigrohr (17) Bestandteil des Gehäuses (1, 2) ist und in seinem oberen Bereich über eine Ringdichtung mit der Endkappe (11) der Filterpatrone verbindbar ist.
  6. 6. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (6, 17) zwischen zwei Sektionen von ineinander geschachtelten Rohrkörpern (10) aus Filtermaterial angeordnet ist.
  7. 7. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des inneren Steigrohres (6) in einem Dom der Filterpatrone (F) oberhalb der wirksamen Filterfläche endet.
  8. 8. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des inneren Steigrohres (6) unterhalb der wirksamen Filterfläche mit der Anschlußkappe (13) verbunden ist und im Verbindungsbereich die Entleerungsöffnung (7) für den davon gebildeten Ringraum (10&min;) aufweist.
  9. 9. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des Rohrkörpers (10) von einem Drainageelement (19) und einem Steigrohr (17) umschlossen ist, das im unteren Bereich das Drainageelement (19) freigebende Öffnungen (17&min;) aufweist.






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