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Dokumentenidentifikation DE10164555A1 26.06.2003
Titel Cross-Flow-Mikrofiltrationsanlage und Verfahren zum Betreiben einer Cross-Flow-Mikrofiltrationsanlage
Anmelder SeitzSchenk Filtersystems GmbH, 55543 Bad Kreuznach, DE
Erfinder Schnieder, Georg, 55545 Bad Kreuznach, DE;
Gellweiler, Jürgen, 55442 Stromberg, DE;
Kaul, Wilfried, 55595 Weinsheim, DE
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiss & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 14.12.2001
DE-Aktenzeichen 10164555
Offenlegungstag 26.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2003
IPC-Hauptklasse B01D 65/02
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Cross-Flow-Mikrofiltrationsvorrichtung beschreiben, mit dem es möglich ist, während der Reinigungsphase einen kontinuierlichen Filtrationsbetrieb aufrecht zu erhalten. Das Verfahren sieht vor, daß mindestens zeitweise mindestens ein Filtermodul von der Unfiltratzuführung und/oder Unfiltratabführung abgetrennt wird und im Rückspülmodus betrieben wird, während gleichzeitig der oder die übrigen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden, wobei ein Teil des von diesen Filtermodulen erzeugten Filtrats für die Rückspülung abgezweigt wird. Die Cross-Flow-Mikrofiltrationsanlage sieht vor, daß in jeder Unfiltratzuleitung (11a-c) und/oder Retentatleitung (12a-c) ein Unfiltratabsperrventil (100a-c) angeordnet ist und daß eine Steuereinrichtung (110) vorgesehen ist, die mindestens mit den Unfiltratabsperrventilen (100a-c) und den ersten und zweiten Filtratabsperrventilen (22a-c, 29a-c) verbunden ist. Die Steuereinrichtung (110) ist zum abwechselnden Schalten der Absperrventile (22a-c, 29a-c, 1001a-c) in der Weise ausgebildet, daß mindestens zeitweise mindestens ein Filtermodul (1a-c) im Rückspülmodus und der oder die übrigen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Cross-Flow- Mikrofiltrationsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Cross-Flow-Mikrofiltrationsanlage.

Die Cross-Flow- oder Querstromfiltration gehört neben der Dead-End- Filtration zur sogenannten Mikrofiltration und damit zu den druckgetriebenen Membrantrennverfahren. Es handelt sich bei der Mikrofiltration um eine Filtration von Partikeln der Größe ca. 0,02 bis 10 µm aus Flüssigkeiten. Die Trenngrenze der Mikrofiltration liegt somit zwischen der Ultrafiltration und der konventionellen Filtration.

Bei der Cross-Flow-Filtration werden die Membrane tangential von der Flüssigkeit angeströmt, wobei nur ein Teilstrom die Membrane passiert. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten quer zur Filterfläche wird die bei der statischen Membranfiltration bekannte Membranverblockung weitgehend verhindert. Durch die Überströmung der Membrane werden die zurückgehaltenen Stoffe ständig in Bewegung gehalten und mit dem Konzentrat ausgetragen.

Trotzdem setzen sich in den Cross-Flow-Filtermodulen feste Unfiltratbestandteile ab, die mit zunehmender Betriebsdauer zu einer Deckschicht auf den Membranen führen. Da durch die Deckschicht die Filtrationsleistung herabgesetzt wird, ist von Zeit zu Zeit ein Reinigungsvorgang erforderlich, der als Rückspülung mit Wasser oder Filtrat oder auf der Basis einer chemischen Reinigung durchgeführt werden kann. Ziel dieser Reinigung ist es, die Deckschicht von der Membranoberfläche zu entfernen und aus dem Filtermodul auszutragen.

Zum allgemeinen Stand der Technik wird auf Ripperger, Siegfried "Mikrofiltration mit Membranen", VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1992, S. 174-181 verwiesen, wo Mikrofiltrationsanlagen und deren Rückspülung beschrieben werden. Hierbei werden folgende Fälle der Rückspülung unterschieden:

  • - Rückspülung bei gleichzeitiger Überströmung der Membran

    In diesem Fall hat man über die Länge der in Serie geschalteten Membranmodule unterschiedliche Rückspüldruckdifferenzen. Der Abschnitt mit der geringsten Druckdifferenz bei der Filtration wird mit der höchsten Druckdifferenz bei der Rückspülung beaufschlagt. Um eine gleichmäßigere Membranbelastung über die Zeit zu erreichen, ist in diesem Fall eine Umkehr der Richtung der Membranüberströmung von Zeit zu Zeit sinnvoll.
  • - Rückspülung ohne Membranüberströmung

    In diesem Fall wird mit einer nahezu gleichmäßigen Druckdifferenz über die Länge eines Moduls rückgespült. Ein Abschalten der Umwälzpumpe bzw. ein Umlenken des zirkulierenden Volumenstroms in kurzen Intervallen ist jedoch problematisch. Daher wird diese Art der Rückspülung nur in großen Zeitabständen (> 30 min) angewendet.

Bei häufigen Rückspülungen ergeben sich folgende Probleme. Wenn die Rückspülung bei laufender Überströmung stattfindet, ist der Zeitverlust zwar gering, jedoch ist das Rückspülergebnis schlecht. Wenn die Rückspülung ohne Überströmung stattfindet, ist zwar das Rückspülergebnis gleichmäßiger, der Zeitverlust ist jedoch größer.

Zur Reinigung muß immer die gesamte Filtrationsanlage abgeschaltet werden. Dieses Vorgehen bedingt erhebliche Ausfallzeiten, die 10-30% der Filtrationsdauer betragen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die entsprechende Förderpumpe jeweils ein- und ausgeschaltet werden muß, wodurch die Lebensdauer der Pumpe beeinträchtigt wird.

In der WO 01/51186 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freimachen von Retentatdurchflußwegen von darin befindlichem Material in Filtrationsmodulen beschrieben, welche in einer Membranfiltrationsanlage im Querstrommodus betrieben werden. Hierbei werden durch Absenken des Druckes des retentatseitig der Membranen vorhandenen Materials auf einen Wert unterhalb eines permeatseitig der Membranen vorliegenden Druckes die Ablagerungen retentatseitig abgesaugt. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist an die Unfiltratzuleitung des Filtermoduls eine Saugleitung angeschlossen, die saugseitig an die Unfiltratförderpumpe angeschlossen ist. Damit das entgegen der üblichen Unfiltratströmungsrichtung angesaugte Material hierbei nicht wieder in den Filtermodul eingespeist wird, ist in der Unfiltratzuleitung ein zusätzliches Absperrventil vor dem Anschluß der Saugleitung angeordnet.

Die Förderpumpe braucht zwar bei diesem bekannten Verfahren bei der Rückspülung nicht abgeschaltet werden, was die Lebensdauer der Pumpe verlängert, allerdings ist eine zusätzliche Saugleitung mit Absperrventil notwendig.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei laufender Rückspülung das Rückspülergebnis ungleichmäßig ist. Dies hängt damit zusammen, daß der größte Transmembrandruck bei der Filtration bei laufenden Überströmpumpen moduleingangsseitig am größten ist, so daß dort die stärkste Verlegung stattfindet. Bei der Rückspülung ist der Transmembrandruck an der Moduleingangsseite am geringsten, so daß dort nur die geringste Rückspülung stattfindet.

Weiterhin hat man bei der herkömmlichen Rückspülung das Problem, daß die Rückspülmenge immer an die Verlegung der Kapillaren gekoppelt ist. Je stärker die Verlegung ist, desto geringer ist die Rückspülmenge. Wenn die Ausschleusung des Unfiltrats zeitgleich mit der Rückspülung vorgenommen wird, was in der Regel bei allen Anlagen der Fall ist, dann muß man bei verlegten Kapillaren länger rückspülen als bei frisch gereinigten Kapillaren. Außerdem benötigt das Abschalten der großen Überströmpumpen sehr viel Zeit. Die Konsequenz ist, daß die Rückspülung nur in relativ großen Zeitabständen durchgeführt wird.

Da ebenfalls alle Cross-Flow Module abgeschaltet werden müssen, treten ähnlich lange Ausfallzeiten auf, wie bei der zuvor beschriebenen Filtervorrichtung der DE 43 32 175 C2.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Cross- Flow-Mikrofiltrationsanlage zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, während der Reinigungsphase einen kontinuierlichen Filtrationsbetrieb aufrecht zu erhalten. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine solche Cross-Flow- Mikrofiltrationsanlage bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Rückspülen einer Cross-Flow- Mikrofiltrationsanlage gelöst, bei dem mindestens zeitweise mindestens ein Filtermodul von der Unfiltratzuführung und/oder Unfiltratabführung abgetrennt wird und im Rückspülmodus betrieben wird, während gleichzeitig der oder die übrigen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden, wobei ein Teil des von diesen Filtermodulen erzeugten Filtrats für die Rückspülung abgezweigt wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß eine kontinuierliche Filtration möglich ist, ohne daß durch die Reinigung Ausfallzeiten auftreten. Jeweils einer oder mehrere Filtermodule befinden sich im Reinigungsmodus und fallen dadurch zwar für die Filtration aus, gleichzeitig werden jedoch die anderen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben, so daß ständig Filtrat geliefert wird.

Die Förderpumpen können kontinuierlich betrieben werden, so daß ein Ein- und Ausschalten der Förderpumpen mit den damit verbundenen Nachteilen vermieden wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Teil des kontinuierlich angelieferten Filtrates gleichzeitig für die Rückspülung genutzt werden kann. Die üblicherweise bei derartigen Filtrationsvorrichtungen vorhandenen Druck- und Vorratsbehälter, die das für die Rückspülung notwendige Filtrat enthalten, entfallen, wodurch die Anlage insgesamt kostengünstiger hergestellt werden kann.

Dadurch, daß keine Unterbrechung der Filtration für die Rückspülung stattfindet, kann häufiger rückgespült werden, so daß bereits zu Beginn der Deckschichtbildung das Material durch die Rückspülung entfernt werden kann. Durch ein häufiges Rückspülen der Filtermodule treten erst gar nicht die Probleme auf, die mit längeren Filtrationszeiten verbunden sind. Dies sind insbesondere unterschiedlich dick ausgebildete Deckflächen, die bei der Rückspülung zu unkontrollierten Verhältnissen führen, so daß im Extremfall nur ein Teil der Deckschicht abgelöst werden kann.

Dieses Verfahren schließt nicht aus, daß es auch Zeitabschnitte gibt, in denen alle Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn das Unfiltrat nicht so stark mit Trübstoffen beladen ist, daß kontinuierlich reihum die Filtermodule gereinigt werden müssen. In diesen Fällen reicht es aus, wenn zeitweise die Reinigungsphasen der Filtermodule duchgeführt werden.

Vorzugsweise wird das bei der Rückspülung anfallende Material dem Unfiltrat- /Retentatkreislauf der filtrierenden Filtermodule zugeführt. Eine separate Ableitung des bei der Rückspülung anfallenden Materials ist in der Regel nicht notwendig. Vorzugsweise wird das Retentat kontinuierlich ausgeschleust und gegebenenfalls dem Unfiltratbehälter zugeführt.

Vorzugsweise werden die Filtermodule zumindest in zwei Filtrationsblöcken zusammengeschaltet, wobei mindestens ein Filtrationsblock im Rückspülmodus betrieben wird, während der oder die übrigen Filtrationsblöcke im Filtrationsmodus betrieben werden, wobei ein Teil des von diesen Filtrationsblöcken erzeugte Filtrat für die Rückspülung abgezweigt wird.

Das Zusammenfassen zu Filtrationsblöcken wird insbesondere dann bevorzugt eingesetzt, wenn eine große Anzahl von Filtermodulen in der Filtrationsanlage zur Verfügung stehen und der zeitweise Ausfall mehrere Filtermodule während der Rückspülung keine Beeinträchtigung des kontinuierlichen Filtrationsbetriebes darstellen.

Vorteilhafterweise werden während der Filtration abwechselnd wenigstens ein Filtermodul oder Filtrationsblock im Rückspülmodus betrieben. Es wird dadurch möglich, kontinuierlich die Rückspülung und damit Reinigung der Filtermodule bzw. Filtrationsblöcke zu betreiben, wodurch auch die Zeitspannen zwischen zwei Rückspülmodi erheblich verkürzt werden können. Vorzugweise liegt die Zeitspanne zwischen zwei Rückspülmodi jedes Filtermoduls oder Filtrationsblocks maximal bei 3 Minuten, was jedoch in Abhängigkeit des Trübgehaltes und des Fluids stark variieren kann.

Die erfindungsgemäße Cross-Flow Mikrofiltrationsanlage, die mindestens zwei Cross-Flow Filtermodule aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Unfiltratzuleitung und/oder Retentatleitung ein Unfiltratabsperrventil angeordnet ist, und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die mindestens mit den Unfiltratabsperrventilen und den ersten und zweiten Filtratabsperrventilen verbunden ist und daß die Steuereinrichtung zum abwechselnden Schalten der Absperrventile in der Weise ausgebildet ist, daß mindestens zeitweise mindestens ein Filtermodul im Rückspülmodus und der oder die übrigen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung auch an die Förderpumpe angeschlossen sein.

Vorzugsweise ist der Filtratrücklaufstrang an den Filtratstrang angeschlossen. Der üblicherweise zwischen beiden Strängen angeordnete Filtratsammelbehälter kann dadurch entfallen, wodurch die Filtrationsanlage kostengünstiger hergestellt werden kann. Insgesamt wird ein geschlossenes System mit den damit verbundenen Vorteilen geschaffen.

Vorzugsweise weist der Filtrat- und der Filtratrücklaufstrang eine gemeinsame Förderpumpe auf. Die üblicherweise vorhandene zweite Förderpumpe entfällt durch diese Maßnahme.

Vorzugsweise sind mindestens zwei Filtermodule zu einem Filtrationsblock parallel zusammengeschaltet, wobei jeder Filtrationsblock eine gemeinsame Unfiltratzuleitung besitzt, in der das Unfiltratabsperrventil angeordnet ist. Die Filtermodule werden jeweils parallel zusammengeschaltet, wobei auch die Filtrationsblöcke parallel geschaltet sind. Durch das Zusammenschalten von Filtermodulen zu Filtrationsblöcken werden Unfiltratabsperrventile eingespart.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind unter anderem darin zu sehen, daß eine gleichmäßige Rückspülung aller Filtermodule gewährleistet wird. Während der Rückspülung erfolgt eine kurzzeitige Erhöhung der Überströmung in den nicht rückgespülten Modulen, was ebenfalls zu einer Leistungsverbesserung führt. Der Zeitverlust durch die Rückspülung ist im Vergleich zum Stand der Technik deutlich geringer.

Das Rückspülmedium wird zeitgleich von den anderen Modulen zur Verfügung gestellt. Es muß somit kein Filtrat aus einem Filtrattank entnommen werden, wie dies beim Stand der Technik notwendig ist.

Die Filtrationsanlage wird als geschlossenes System betrieben und die Überströmpumpen können gleichmäßig durchlaufen. Die Rückspülpumpe und die dazugehörigen Leitungen können kleiner, d. h. leistungsmäßig schwächer ausgeführt werden als dies bei den Filtrationsanlagen zum Stand der Technik erforderlich ist, weil jeweils nur einzelne Filtermodule bzw. Filtrationsblöcke im Rückspülmodus betrieben werden und nicht die gesamte Filtrationsanlage. Unabhängig von der Größe der Filtrationsanlage kann immer die gleiche Rückspülpumpe verwendet werden, so daß die Herstellung von Filtrationsanlagen auch dadurch kostengünstiger gestaltet werden kann.

Verfahren und Vorrichtung werden vorzugsweise für die Getränkefiltration, insbesondere für Wein, Sekt, Bier und Fruchtsaft eingesetzt.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1.1 + 1.2 schematische Darstellungen einer Filtrationsanlage nach dem Stand der Technik während der Filtration und während der Rückspülung,

Fig. 2.1-2.5 schematische Darstellungen einer Filtrationsanlage nach der Erfindung während der Filtration und während der Rückspülphasen,

Fig. 3.1-3.3 Druckdiagramme in Abhängigkeit der Modullänge eines Filtermoduls in einer Filtrationsanlage nach dem Stand der Technik (Fig. 3.1) und nach der Erfindung (Fig. 3.2 + 3.3),

Fig. 4.1-4.4 schematische Darstellungen einer Filtrationsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform während der Filtration und während der Rückspülphasen,

Fig. 5.1-5.2 schematische Darstellungen einer Filtrationsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform während der Filtration und während der Rückspülphasen,

Fig. 6.1-6.2 schematische Darstellungen einer Filtrationsanlage gemäß einer weiteren Ausführungsform während der Filtration und während der Rückspülphasen.

In den Fig. 1.1 und 1.2 ist eine Filtrationsanlage gemäß des Standes der Technik dargestellt, die beispielhaft drei Cross-Flow-Filtermodule 1a-1c aufweist. Die Anlage nach dem Stand der Technik ebenso wie die Filtrationsanlage nach der Erfindung kann mit allen gängigen Cross-Flow- Filtermodultypen ausgestattet sein, wobei vorzugsweise Kapillarfiltermodule verwendet werden.

Die Filtermodule 1a, 1b und 1c weisen jeweils einen Unfiltrateinlaß 2a-c, einen Unfiltratauslaß 3a-c, einen Filtrateinlaß 4a-c und einen Filtratauslaß 5a-c auf. Das zu filtrierende Medium, das als Unfiltrat bezeichnet wird, wird über die Unfiltratzuleitung 18 und die Unfiltrathauptleitung 10 zugeführt, in denen eine Förderpumpe 14 mit Absperrventil 19 und eine Umwälzpumpe 15 angeordnet sind. Von der Unfiltrathauptleitung 10 zweigen einzelne Unfiltratzuleitungen 11a, 11b und 11c ab, die in die betreffenden Unfiltrateinlässe 2a-c der Filtermodule 1a-c münden. Ausgangsseitig sind an die Unfiltratauslässe 3a-c Retentatleitungen 12a-c angeordnet, die in eine gemeinsame Kreislaufleitung 13 münden, die zwischen der Förderpumpe 14 und der Umwälzpumpe 15 an die Unfiltrathauptleitung 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 10, 11a-c, 12a-c und 13 bilden einen Unfiltrat-/Retentatkreislauf. An die Retentatrücklaufleitung 13 ist zusätzlich noch eine Retentatabflußleitung 16 mit einem Absperrventil 17 zur Ausschleusung des Retentats angeordnet.

Das in den Filtermodulen 1a-c erzeugte Filtrat wird über die Filtratauslässe Sac in die Filtratleitungen 21a-c abgegeben, in denen jeweils ein erstes Filtratabsperrventil 22a-c angeordnet ist. Diese Filtratleitungen 21a-c münden in eine Filtratsammelleitung 20, die an einen Filtratsammelbehälter 23 angeschlossen ist, der als offener Behälter ausgeführt ist und Filtrat für die Rückspülung der Filtermodule 1a-c bereithält. Von diesem Filtratsammelbehälter 23 geht eine Filtratabführleitung 24 mit Absperrventil 25 und Filtratförderpumpe 30 ab.

Ein offener Filtratsammelbehälter 23 hat den Nachteil, daß eine Füllstandsregelung benötigt wird, um ein Überlaufen zu verhindern. Außerdem verliert man Aromastoffe. Wenn der Filtratsammelbehälter 23 als Druckbehälter ausgeführt ist, dann benötigt man in der Regel keine Pumpe 30. Nachteile dieser Variante sind: Der Druckbehälter ist sehr teuer, man benötigt ein Sicherheitsventil und eine Füllstandsregelung. Der Druckbehälter enthält ein wechselndes Gaspolster und muß regelmäßig aufwendig gereinigt werden.

An die Filtratabführleitung 24 ist eine Filtratrückspülleitung 26 mit Absperrventil 27 und Rückspülpumpe 31 angeschlossen. Von der Filtratrückspülleitung 26 gehen Filtratzuführleitungen 28a-c ab, die an die Filtrateinlässe 4a-c der Filtermodule 1a-c angeschlossen sind. In den Filtratzuführleitungen 28a-c sind zweite Filtratabsperrventile 29a-c angeordnet.

Während der Filtration wird das Unfiltrat über die Unfiltratzuleitungen 11a-c den Filtermodulen 1a-c zugeführt und das Retentat über die Retentatleitungen 12a-c und die Kreislaufleitung 13 dem Unfiltrat-/Retentatkreislauf zugeführt. Das anfallende Filtrat wird über die Filtratleitungen 21a-c und der Filtratsammelleitung 20 abgezogen und dem Filtratsammelbehälter 23 zugeführt. Hierbei sind die ersten Filtratabsperrventile 22a-c geöffnet und die zweiten Filtratabsperrventile 29a-c geschlossen.

In der Fig. 1.2 ist der Rückspülmodus schematisch dargestellt. Hierzu werden die ersten Filtratabsperrventile 22a-c geschlossen und die zweiten Filtratabsperrventile 29a-c geöffnet. In der Filtratabführleitung 24 wird das Absperrventil 25 geschlossen und in der Filtratrückspülleitung 26 wird das Absperrventil 27 geöffnet und die Rückspülpumpe 31 in Gang gesetzt, so daß das Filtrat aus dem Filtratsammelbehälter 23 in die Filtermodule 1a-c eingeleitet werden kann. Während dieses Rückspülvorgangs läuft die Umwälzpumpe 15 weiter, so daß das durch die Rückspülung von den Membranen gelöste Material ausgetragen werden kann und über die Retentatabflußleitung 16 bei geöffnetem Absperrventil 17 ausgetragen werden kann. Während der Rückspülung wird die Pumpe 14 abgeschaltet, das Ventil 19 ist geschlossen. Die Filtration wird hierbei für die Zeitdauer der Rückspülung unterbrochen.

In den Fig. 2.1 bis 2.5 ist eine Filtrationsanlage gemäß der Erfindung dargestellt, die ebenfalls drei Filtermodule 1a-c aufweist. Gleiche Komponenten der Filtrationsanlage sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1.1 und 1.2. Um die Unterschiede zur Filtrationsanlage gemäß des Standes der Technik deutlich zu machen, sind die zusätzlichen Komponenten mit dreistelligen Bezugszeichen versehen worden. Ein wesentlicher Unterschied zu der Filtrationsanlage gemäß der Fig. 1.1 besteht darin, daß in den Unfiltratzuleitungen 11a-c Unfiltratabsperrventile 100a-c angeordnet sind. Ein weiterer Unterschied ist darin zu sehen, daß ein Filtratsammelbehälter 23, eine Filtratförderpumpe 30 und das Ventil 19 eingespart werden. Die Filtratsammelleitung 20 ist ohne Zwischenschaltung eines Sammelbehälters 23 an die Filtratrücklaufleitung 26 angeschlossen, in der sich die Rückspülpumpe 31 befindet. Zusätzlich ist an die Rückspülleitung 26 noch eine Leitung 105 mit einem Absperrventil 106 angeordnet. In einer alternativen Fahrweise kann die Rückspülpumpe 31 auch als Druckerhöhungspumpe verwendet werden. In diesem Fall wird das Filtrat über die Leitung 105 statt über die Leitung 24 ausgeschleust. Allerdings muß dann während der Rückspülung kurzzeitig das Ventil 106 geschlossen werden.

Die Filtrationsanlage verfügt ferner über eine Steuereinrichtung 110, die elektrisch oder pneumatisch mit den ersten und zweiten Filtratabsperrventilen 22a-c und 29a-c verbunden ist sowie an die Unfiltratabsperrventile 100a-c und die Rückspülpumpe 31 angeschlossen ist.

In der Fig. 2.1 ist der Filtrationsmodus aller Filtermodule 1a-c dargestellt. Hierzu sind die ersten Absperrventile 22a-c und die Unfiltratabsperrventile 100a-c geöffnet und die zweiten Absperrventile 29a-c geschlossen. Um das Filtrat abzuführen, ist auch das Absperrventil 25 geöffnet, so daß das Filtrat über die Filtratabführleitung 24 ausgetragen werden kann.

In der Fig. 2.2 befindet sich der Filtermodul 1a im Rückspülmodus, während die beiden Filtermodule 1b und lc sich im Filtrationsmodus befinden. Bei dieser Konstellation sind die ersten und zweiten Absperrventile 22b und c jeweils offen und die beiden zweiten Absperrventile 29b und c geschlossen. Beim Filtermodul 1a ist hierfür das erste Absperrventil 22a geschlossen und das zweite Absperrventil 29a offen. Das Unfiltratabsperrventil 100a ist ebenfalls geschlossen. Damit ist das Filtermodul 1a druckseitig vom Unfiltratkreislauf abgekoppelt und an den Filtratrückspülkreis angeschlossen. Das durch die Rückspülung abgelöste Material wird über die Retentatleitung 12a dem Unfiltrat-/Retentatkreislauf zugeführt und über die Leitung 16 kontinuierlich ausgetragen.

In den Fig. 2.3 und 2.4 ist der Reinigungsmodus für die Filtermodule 1b und 1c dargestellt. Das Schalten der Ventile 22a-c,29a-c und 100a-c übernimmt die Steuereinrichtung 110, die entsprechend programmiert werden kann. Es kann somit - wie in der Fig. 2.5 (auf Bezugszeichen wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet) dargestellt ist - ein zyklischer Durchlauf eingestellt werden, in dem nacheinander die einzelnen Filtermodule an den Rückspülmodus angeschlossen werden. Bei diesem Verfahren wird immer ein Filtermodul gereinigt, während die beiden verbleibenden Filtermodule sich im Filtrationsmodus befinden. Es wird dadurch eine kontinuierliche Filtration und auch eine kontinuierliche, d. h. häufige zyklische Reinigung der Filtermodule gewährleistet.

In der Fig. 3.1 ist ein Druckdiagramm dargestellt, in dem der Druck über die Modullänge des Unfiltrats bei der Filtration und Rückspülung, des Filtrats bei der Filtration und des Filtrats bei der Rückspülung dargestellt ist. Es ist deutlich zu sehen, daß ein Druckabfall über die Modullänge bezüglich des Unfiltrates gegeben ist. Um die Rückspülung durchführen zu können, ist es erforderlich, daß das für die Rückspülung verwendete Filtrat auf einen höheren Druck als den Unfiltratdruck gebracht wird, damit überhaupt eine Strömung von der Filtrat- auf die Unfiltratseite des Filtermoduls stattfinden kann. In dem hier gezeigten Beispiel liegt der Druck des Filtrates bei der Rückspülung bei 280 kPa und somit über dem Druck von 230 kPa für das Unfiltrat am Modulanfang. Am Modulanfang steht somit für die Rückspülung ein Druck von 50 kPa zur Verfügung. Am Modulende, wo ohnehin nur eine geringe Verlegung auftritt, ist der zur Verfügung stehende Druck deutlich größer.

In der Fig. 3.2 sind die Verhältnisse für ein Filtermodul dargestellt, das sich in einer erfindungsgemäßen Filtrationsanlage befindet, bei der der Unfiltrateingang mittels des Unfiltratabsperrventils 100a abgesperrt wird, wenn die Rückspülung durchgeführt wird. Es ist deutlich zu sehen, daß der Druck des Unfiltrates bei der Rückspülung nur noch bei 120 kPa liegt und über die gesamte Modullänge konstant ist. Es steht somit ein deutlich höherer Druck von 160 kPa für die Rückspülung zur Verfügung, und zwar auch am Modulanfang, wo die größte Verlegung auftritt. Die Rückspülung ist dadurch weitaus gleichmäßiger. Dieser niedrigere Druck des Unfiltrates im Rückspülmodus erlaubt es, auch den Druck des Filtrates bei der Rückspülung abzusenken. Dies ist in der Fig. 3.3 dargestellt, in der das Filtrat lediglich einem Druck von 170 kPa ausgesetzt ist. Diese Druckdifferenz reicht aus, um die Rückspülung durchzuführen. Ein niedriger Druck für das Filtrat bei der Rückspülung hat den Vorteil, daß eine deutlich kleinere Pumpe für den Rückspülvorgang ausreicht.

In den Fig. 4.1 bis 4.4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filtrationsanlage dargestellt, bei der jeweils zwei Filtermodule 1a, 1b und 1c, 1d zu Filtrationsblöcken 101a und 101b zusammengefaßt sind. Sowohl die Filtermodule 1a-d als auch die Filtrationsblöcke 101a, 101b sind jeweils parallel geschaltet. Hierzu sind gemeinsame Unfiltratzuleitungen 111a, b vorgesehen, die sich in die beiden Unfiltratzuleitungen 11a und b bzw. 11c und d verzweigen. Die Unfiltratabsperrventile 100a und b sind in diesen gemeinsamen Unfiltratzuleitungen 111a, b angeordnet, so daß jeweils ein Unfiltratabsperrventil für einen Filtrationsblock vorgesehen ist. Auch auf der Filtratseite ist jeweils eine gemeinsame Filtratleitung 121a, 121b vorgesehen, die an die Filtratsammelleitung 20 angeschlossen ist. Im Rückspülstrang ist jeweils eine gemeinsame Filtratrückspülleitung 128a, b vorgesehen, in denen die zweiten Filtratabsperrventile 29a, b angeordnet sind.

In der Fig. 4.2 ist der Reinigungsmodus des Filtrationsblocks 101a dargestellt und in der Fig. 4.3 der des Filtrationsblockes 101b. Auch bei dieser Ausführungsform übernimmt die Steuereinrichtung 110 die Schaltung der ersten Filtratabsperrventile 22a, b, der zweiten Filtratabsperrventile 29a, b und der Unfiltratabsperrventile 100a, b sowie der Rückspülpumpe 31, so daß ein alternierendes Umschalten von Reinigungs- in Filtrationsmodus und umgekehrt durchgeführt werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform wird eine kontinuierliche Filtration gewährleistet, wie dies in der Fig. 4.4 schematisch dargestellt ist. Auf die Bezugszeichen wurde - wie in Fig. 2.5 - ebenfalls verzichtet.

Bei allen Ausführungsformen ist es natürlich möglich, daß auch alle Filtermodule sich im Fitrationsmodus befinden und nur über gewisse Zeitabschnitte die wechselseitige Umschaltung auf den Reinigungsmodus durchgeführt wird.

In den Fig. 5.1 und 5.2 ist die Anströmung der Filtermodule jeweils von unten dargestellt. Eine Anströmung von oben ist ebenfalls möglich. Ferner sind die Absperrventile 100a, b, c jeweils in den Unfiltratzuführungen 11a, b, c eingezeichnet. Aus Konstruktionsgründen könnten diese Absperrventile auch in die Unfiltratabführleitungen 12a, b, c eingebaut sein. Die Filtrateinlaßöffnungen 4a, b, c sind jeweils im unteren Bereich und die Filtratauslässe 5a, b, c im oberen Bereich eingezeichnet. Eine Vertauschung kann vorgenommen werden, wenn dies aus Konstruktionsgründen sinnvoll erscheint.

In der Fig. 5.1 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß der Fig. 2.1 dadurch unterscheidet, daß die Filtrateinlässe 4a-c und Filtratauslässe 5a-c vertauscht angeordnet sind. Der Filtratabfluß erfolgt am unteren Ende des Filtermoduls 1a-c, so daß die Rückspülung, wie in der Fig. 5.2 dargestellt ist, über den oberen Eingang erfolgt. Diese vertauschte Anordnung hat zur Folge, daß die Rückspülpumpe 31 gleichzeitig als Druckerhöhungspumpe eingesetzt wird und daß das Filtrat über die Filtratleitung 105 abgeführt wird.

In den Fig. 6.1 und 6.2 wird eine weitere Ausführungsform im Filtrations- und Rückspülmodus dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Unfiltratabsperrventile im Gegensatz zu den vorher gezeigten Ausführungsformen nicht in den Unfiltratzuleitungen 11a-c angeordnet, sondern in den Retentatleitungen 12a-c.

Ferner weisen die Filtermodule 1a-c einen gemeinsamen Filtrateinlaß 4a-c/Filtratauslaß 5a-c auf. Die Filtratleitungen 21a-c und Filtratzuführleitungen 28a-c sind über ein beispielsweise T Stück gemeinsam an diesen gemeinsamen Filtrateinlaß 4a-c/Filtratauslaß 5a-c angeschlossen. Die Betriebsweise entspricht den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Zusätzlich ist noch eine Entlüftungsleitung 140 dargestellt, die ein Gesamtentlüftungsventil 141 und Entlüftungsventile 142a-c aufweist. Der Anschluß der Entlüftungsleitungen erfolgt über die filtratseitigen Entlüftungsöffnungen 143a-c der Filtermodule 1a-c. Bezugszeichen 1a-d Filtermodul

2a-c Unfiltrateinlaß

3a-c Unfiltratauslaß

4a-c Filtrateinlaß

5a-c Filtratauslaß

10 Unfiltrathauptleitung

11a-c Unfiltratzuleitung

12a-c Retentatleitung

13 Kreislaufleitung

14 Förderpumpe

15 Umwälzpumpe

16 Retentatabflußleitung

17 Absperrventil

18 Unfiltratzuleitung

19 Absperrventil

20 Filtratsammelleitung

21a-c Filtratleitung

22a-c 1. Filtratabsperrventil

23 Filtratsammelbehälter

24 Filtratabführleitung

25 Absperrventil

26 Filtratrückspülleitung

27 Absperrventil

28a-c Filtratzuführleitung

29a-c 2. Filtratabsperrventil

30 Filtratförderpumpe

31 Rückspülpumpe

100a, b, c Unfiltratabsperrventil

101a, b Filtrationsblock

105 Leitung (alternative Filtratabführleitung)

106 Absperrventil

110 Steuereinrichtung

111a, b gemeinsame Unfiltratzuleitung

121a, b gemeinsame Filtratleitung

128a, b gemeinsame Filtratrückspülleitung

140 Entlüftungsleitung

141 Gesamtentlüftungsventil

142a-c Entlüftungsventile

143a-c filtratseitige Entlüftungsöffnung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betreiben einer Cross-Flow Mikrofiltrationsanlage, die mindestens zwei Cross-Flow Filtermodule mit Unfiltrat- /Retentatkreislauf aufweist, wobei das Rückspülen mittels Filtrat durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zeitweise mindestens ein Filtermodul von der Unfiltratzuführung und/oder Unfiltratabführung abgetrennt wird und im Rückspülmodus betrieben wird, während gleichzeitig der oder die übrigen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden, wobei ein Teil des von diesen Filtermodulen erzeugten Filtrats für die Rückspülung abgezweigt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Rückspülung anfallende Material dem Unfiltrat-/Retentatkreislauf der filtrierenden Filtermodule zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermodule zu mindestens zwei Filtrationsblöcken zusammengeschaltet werden, und das mindestens ein Filtrationsblock im Rückspülmodus betrieben wird, während der oder die übrigen Filtrationsblöcke im Filtrationsmodus betrieben werden, wobei ein Teil des von diesen Filtrationsblöcken erzeugten Filtrats für die Rückspülung abgezweigt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Filtration abwechselnd ein Filtermodul oder Filtrationsblock im Rückspülmodus betrieben wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne zwischen zwei Rückspülmodi jedes Filtermoduls oder Filtrationsblockes maximal 3 Minuten beträgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Retentat kontinuierlich ausgeschleust wird.
  7. 7. Cross-Flow Mikrofiltrationsanlagen mit mindestens zwei Cross-Flow Filtermodulen, die an einen Unfiltrat-/Retentratkreislauf mit Unfiltratzuleitungen und Retentatableitungen, an einen Filtrationsstrang mit Filtratableitungen und ersten Filtratabsperrventilen und an einen Filtratrücklaufstrang mit Filtratzulaufleitungen und zweiten Filtratabsperrventilen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,

    daß in jeder Unfiltratzuleitung (11a-c) und/oder Retentatleitung (12a-c) ein Unfiltratabsperrventil (100a-c) angeordnet ist, und

    daß eine Steuereinrichtung (110) vorgesehen ist, die mindestens mit den Unfiltratabsperrventilen (100a-c) und den ersten und zweiten Filtratabsperrventilen (22a-c, 29a-c) verbunden ist und

    daß die Steuereinrichtung (110) zum abwechselnden Schalten der Absperrventile (22a-c, 29a-c, 100a-c) in der Weise ausgebildet ist, daß mindestens zeitweise mindestens ein Filtermodul (1a-c) im Rückspülmodus und der oder die übrigen Filtermodule im Filtrationsmodus betrieben werden.
  8. 8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtratrücklaufstrang an den Filtratstrang angeschlossen ist.
  9. 9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Filtrat- und Filtratrücklaufstrang eine gemeinsame Förderpumpe (31) aufweisen.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens zwei Filtermodule (1a-c) zu einem Filtrationsblock (101a, b) parallel zusammengeschaltet sind, wobei jeder Filtrationsblock (101a, b) eine gemeinsame Unfiltratzuleitung (111a, b) besitzt, in der das Unfiltratabsperrventil (100a, b) angeordnet ist.






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