DE3839966A1 - Hohlfadenmodul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlfadenmodul mit wenigstens einem Bündel aus U-förmig ausgebildeten Hohlfäden, bei dem beide Endbereiche eines jeden der Hohlfäden in einem Verguß­ massekörper eingebettet sind und die an ihren beiden Enden offenen Hohlfäden auf der äußeren Stirnfläche des Verguß­ massekörpers ausmünden.

Derartige Hohlfadenmodule mit U-förmig - auch haarnadel­ förmig genannt - ausgebildeten Hohlfäden sind an sich be­ kannt, beispielsweise als sog. Dead-End-Filterkerzen, wobei die (mikro-) poröse Wand der Hohlfäden als das eigentliche Filtermittel wirkt.

Hohlfäden mit einer dünnen Wand bzw. mit semipermeablen oder selektiven Eigenschaften werden in der Regel auch als Hohl­ fadenmembranen, Membranen in Hohlfadenform, bei geringen Durchmessern als Kapillarmembranen und ähnlich bezeichnet. Solche Membranen mit den zuletzt genannten Eigenschaften werden auch als nichtporöse oder dichte Membranen bezeich­ net.

Bei Hohlfäden kann das Abtrennen (Filtern) von außen nach innen, d.h. in das Innere (Lumen) der Hohlfäden aber auch in umgekehrter Richtung erfolgen. Allen Dead-End-Trennein­ richtungen (Filtern) dieser Art ist dabei gemeinsam, daß das Filtrat bzw. Permeat bis zur Erschöpfung des Filtermittels kontinuierlich abgeführt werden kann, während der/die abgetrennte(n) (abgefilterte(n)) Teil(e) des Ausgangsmediums (Unfiltrat) in dem die Hohlfäden umgebenden Außenraum bzw. in den Hohlfäden verbleibt/verbleiben und sich ggf. auf der Filteroberfläche ablagert/ablagern u. ggf. eine Filterschicht (Filterkuchen) bildet/bilden und nicht wie beispielsweise bei der Cross-Flow-Filtration ebenfalls kontinuierlich abgeführt wird/werden. Daher der Name Dead-End.

Als nachteilig bei den bekannten Hohlfadenmodulen mit U-förmig ausgebildeten Hohlfäden hat es sich erwiesen, daß das Hohlfadenbündel im Bereich der im wesentlichen halb­ kreisförmigen Biegung der Hohlfäden ein wesentlich größeres Volumen einnimmt als im Bereich der Einbettung der Endbe­ reiche der Hohlfäden. Je nach Anzahl der Hohlfäden haben solche Hohlfadenbündel daher eine stark ausgeprägte Birnen­ form. Dies hat zur Folge, daß das Gehäuse, in welches ein solcher Hohlfadenmodul eingebaut werden soll, wesentlich größere Abmessungen, bei einem runden Querschnitt also einen wesentlich größeren Durchmesser, aufweisen muß, als die Ab­ messungen (der Durchmesser) des Vergußmassekörpers sie er­ fordern würden (würde). Das bedeutet, daß der Platzbedarf der bekannten Hohlfadenmodule mit U-förmig ausgebildeten Hohlfäden relativ groß ist, was bei großtechnischen Anlagen mit einer Vielzahl derartiger Hohlfadenmodule einen nicht unbeachtlichen Kostenanteil ausmacht.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hohlfadenmodul mit wesentlich gerin­ gerem Platzbedarf bei gleichbleibender Oberfläche zur Ver­ fügung zu stellen.

Gelöst wurde die Aufgabe dadurch, daß bei einem Hohlfaden­ modul der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß jedes Hohlfadenbündel aus wenigstens zwei Teilbündeln besteht, daß die Teilbündel unterschiedliche (mittlere) Längen aufweisen, daß die Hohlfäden wenigstens im Bereich der im wesentlichen halbkreisförmigen Biegung im wesentlichen schichtförmig an­ geordnet sind, daß von wenigstens zwei Teilbündeln diese Bereiche in einer anderen Schicht angeordnet sind, daß die Schichten im wesentlichen parallel zur Längsachse des Moduls verlaufen, daß die Längsachsen der Schichten und die Längs­ achse des Moduls im wesentlichen zusammenfallen und daß die Schichten - in Längsrichtung betrachtet - einen Winkel mit­ einander bilden.

Die Teilbündel können Hohlfäden mit innerhalb eines Teil­ bündels gleicher Länge aufweisen, so daß die Teilbündel dann unterschiedliche Längen aufweisen. Die Teilbündel können jedoch auch Hohlfäden unterschiedlicher Länge aufweisen, so daß sie dann aber trotzdem unterschiedliche mittlere Längen aufweisen. Es ist dabei also ohne weiteres möglich, daß ein­ zelne Hohlfäden unterschiedlicher Teilbündel gleich lang sind, die gemittelte, also durchschnittliche Länge aller Hohlfäden eines Bündels ist aber in jedem Fall größer oder kleiner als die gemittelte (durchschnittliche) Länge eines anderen Teilbündels.

Dadurch, daß die Teilbündel sozusagen ineinandergeschachtelt angeordnet sind, wird für den Bereich, in dem die Hohlfäden im wesentlichen halbkreisförmig gebogen sind, weniger Platz (Volumen) benötigt.

Die Herstellung des Moduls erfolgt in der Weise, daß zu­ nächst ein oder mehrere Hohlfadenbündel durch das nachein­ ander erfolgende Anordnen von Teilbündeln hergestellt wird bzw. werden, die Endbereiche der Hohlfäden dann beispiels­ weise in eine aushärtbare Vergußmasse eingebettet (einge­ schleudert oder eingegossen) werden und nach dem Erhärten der Vergußmasse dann von der äußeren Stirnfläche des auf diese Weise gebildeten Vergußmassekörpers so viel abgetragen wird, bis die offenen Hohlfäden freigelegt sind. Die Hohl­ fäden können vor dem Einbetten noch oder bereits mit einem Stoff oder Medium gefüllt (worden) sein.

Die Hohlfäden der Teilbündel werden zum Zwecke des leich­ teren Verarbeitens vorzugsweise zusammengehalten, indem die Hohlfadenenden zuvor beispielsweise miteinander verklebt oder verschweißt oder mit einem Bindfaden zusammengebunden werden.

Die genaue Herstellung eines Hohlfadenbündels für den er­ findungsgemäßen Hohlfadenmodul wird weiter unten (Figuren­ beschreibung) beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Hohlfadenmodul können auch mehrere Hohlfadenbündel von einem gemeinsamen Vergußmassekörper ge­ halten werden, von denen jedes erfindungsgemäß aus wenigstens zwei Teilbündeln besteht und die übrigen Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

Durch den erfindungsgemäßen Hohlfadenmodul können beispiels­ weise sogenannte Beutelfilter (Bag-Filter) ersetzt werden, von denen häufig mehrere auf einem gemeinsamen Boden ange­ ordnet sind, wobei der erfindungsgemäße Hohlfadenmodul dar­ über hinaus den Vorteil bietet, daß er eine wesentlich größere Filterfläche pro Volumen aufweist als die genannten Beutelfilter.

Das Hohlfadenbündel kann von einer Gewebe- oder Faservlies­ hülle umgeben, d.h. eingeschlossen, sein, welches bei Durch­ strömung der Hohlfäden von außen nach innen als Vorfilter wirkt. Das Hohlfadenbündel kann darüber hinaus alternativ oder zusätzlich zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen von einem gitterförmigen Schutzmantel umgeben sein.

Die Teilbündel können auch aus Hohlfadenbändchen oder aus Hohlfadenmatten gebildet worden sein, die nach einem Web- oder Wirkverfahren hergestellt und anschließend zu Bündeln (= Teilbündeln) aufgerollt wurden, bevor sie zu einem Hohl­ fadenbündel für den erfindungsgemäßen Modul zusammengefügt werden.

Der Hohlfadenmodul kann mit Vorteil aber auch als Cross- Flow-(Mikro-)Filter oder als Stoff- und/oder Wärmeaus­ tauscher ausgebildet und eingesetzt werden. Zu diesem Zweck sind die einen offenen Enden der Hohlfäden von deren anderen offenen Enden räumlich zu trennen, so daß ein Durchströmen der Hohlfäden möglich ist und das in die Hohlfäden ein­ tretende gasförmige, dampfförmige oder flüssige Medium (Fluid) von dem aus den Hohlfäden austretenden getrennt ge­ halten werden kann. Dies geschieht beispielsweise durch eine auf der äußeren Stirnfläche des Vergußmassekörpers angeord­ nete Trennwand, die beispielsweise im Zusammenwirken mit einem den Modul umgebenden Gehäuse den an die Stirnfläche angrenzenden Raum in eine Zuführ- und Verteiler- und in eine Sammel- und Abführkammer unterteilt.

Geeignet ist ein derart ausgestalteter Hohlfadenmodul bei Verwendung entsprechender Hohlfäden zur Gastrennung oder zum Abtrennen von Gas aus Flüssigkeiten, welches in Form von Gasblasen oder auch in gelöster Form bzw. chemisch gebunden vorliegt. Für die Abtrennung von Gaskomponenten aus einem Gasgemisch werden dabei sogenannte nichtporöse Membranen, für das Abtrennen von Gasblasen aus einer Flüssigkeit da­ gegen in der Regel poröse bis mikroporöse Membranen ver­ wendet. Bei der Entfernung gelöster oder chemisch gebundener Gase aus Flüssigkeiten können sowohl poröse als auch nicht­ poröse Membranen zur Anwendung kommen.

Es ist auch möglich, die Hohlfäden des Moduls mit einem festen, flüssigen, dampfförmigen und/oder gasförmigen Stoff zu füllen, die Hohlfäden anschließend zu verschließen und den so ausgestalteten Hohlfadenmodul dann einem Stoff- und/oder Wärmeaustausch zuzuführen.

Der Hohlfadenmodul ist vorzugsweise als austauschbare (Filter-)Kerze ausgestaltet, die lösbar in ein Gehäuse oder einen (offenen) Behälter eingebaut werden kann und bei Leistungsabfall bzw. nach Erschöpfung verworfen, gereinigt oder auf andere Weise regeneriert wird.

Das Hohlfadenbündel kann im Bereich der Modullängsachse einen sog. Kern oder ein ggf. perforiertes Kernrohr aufweisen oder aber auch kernlos sein.

Die Anzahl der Hohlfäden pro Bündel kann bei einer üblichen Filterkerze 2000 bis 2500 aber auch wesentlich mehr oder weniger betragen. Ein üblicher Füllgrad (Packungsdichte) liegt dabei im Bereich von 50 bis 60%. Ein geeigneter Hohl­ fadendurchmesser beträgt beispielsweise 0,6 mm innen und 1 mm außen. Die Länge der Filterkerze betrug in einem Bei­ spiel ca. 215 mm (ca. 10 Zoll) und der Durchmesser ca. 65 mm.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in vereinfachter schematischer Darstellungsweise

Fig. 1 einen Hohlfadenmodul in Seitenansicht,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Hohlfadenbündel in Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Hohlfadenmoduls im Längsschnitt,

Fig. 4 einen Hohlfadenmodul mit Hülle,

Fig. 5 einen Hohlfadenmodul mit Schutzmantel,

Fig. 6 einen in ein Gehäuse eingebauten Hohlfadenmodul,

Fig. 7 eine Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlfadenbündels für den Hohlfadenmodul,

Fig. 8 die Stirnfläche eines Hohlfadenmoduls mit einer Trennwand in Draufsicht,

Fig. 9 das Hohlfadenbündelende im Bereich der Biegung in Draufsicht.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Positions­ zahlen versehen; deshalb wird nicht bei jeder Figur jedes Teil erwähnt, wenn es zuvor schon mal erwähnt wurde.

Der in Fig. 1 dargestellte Hohlfadenmodul besteht aus den U-förmig (haarnadelförmig) ausgebildeten Hohlfäden 1, deren beide Endbereiche in dem flanschförmig ausgebildeten Verguß­ massekörper 2 eingebettet sind. Die an ihren beiden Enden offenen Hohlfäden 1 münden auf der äußeren Stirnfläche 3 des Vergußmassekörpers 2 aus. In dem Bereich 4, in welchem die Hohlfäden 1 im wesentlichen halbkreisförmig gebogen sind, sind einzelne Teilbündel zu erkennen, aus denen das Hohl­ fadenbündel besteht. Ebenfalls deutlich zu erkennen ist, daß sich die Hohlfäden 1, die unterschiedlichen Teilbündeln angehören, in diesem Bereich 4 überkreuzen und einen Überkreuzungswinkel bilden.

Fig. 2 zeigt das Hohlfadenbündel nach Fig. 1 im Quer­ schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1. Die Darstellung zeigt, daß das Hohlfadenbündel aus insgesamt fünf Teil­ bündeln 1 a; 1 b; 1 c; 1 d und 1 e besteht. Durch die ge­ strichelten Linien sind zwei Schichten angedeutet, in denen die Bereiche 4 angeordnet sind, in denen die Hohlfäden 1 im wesentlichen halbkreisförmig gebogen sind. Die Darstellung zeigt, daß die Schichten einen Winkel a miteinander bilden. Man könnte auch sagen, daß - in Längsrichtung des Hohlfaden­ moduls betrachtet - die einzelnen Teilbündel wenigstens im Bereich der halbkreisförmigen Biegung der Hohlfäden jeweils um den Winkel a verdreht angeordnet sind.

In Fig. 3 ist ein Hohlfadenmodul dargestellt, bei dem das Hohlfadenbündel aus insgesamt sechs Teilbündeln 1 a bis 1 f besteht. Die Schichten, in denen die halbkreisförmig ge­ bogenen Bereiche 4 der Hohlfäden 1 angeordnet sind, bilden hierbei einen Winkel von im wesentlichen 90° miteinander. Der Vergußmassekörper 2 ist hierbei mit einer konisch aus­ gebildeten Dichtfläche 5 versehen.

Der in Fig. 4 dargestellte Hohlfadenmodul entspricht dem in Fig. 1 dargestellten, wobei hierbei das Hohlfadenbündel von einer Hülle 6 eingeschlossen ist, die aus einem Gewebe, Ge­ wirke, Vlies o.dgl. bestehen kann. Diese Umhüllung 6 ist jedoch nur teilweise dargestellt.

Fig. 5 zeigt einen Hohlfadenmodul, der dem in Fig. 1 dar­ gestellten entspricht, wobei hierbei das Hohlfadenbündel zum Schutz gegen mechanische Beschädigung der Hohlfäden 1 mit einem perforierten Schutzmantel 7 umgeben ist. Der Schutz­ mantel 7 ist nur teilweise dargestellt.

Fig. 6 zeigt - in teilweise geschnittener Darstellungs­ weise - einen Hohlfadenmodul, der im wesentlichen dem in Fig. 3 dargestellten entspricht, welcher in ein Gehäuse 8 lösbar eingebaut ist. An der in der Darstellung unteren Seite des Gehäuses 8 ist ein Anschlußadapter 9 angeordnet. Hier könnte genausogut ein Flansch oder ein anderes Ver­ bindungselement vorgesehen sein. Im oberen Gehäuseteil ist der Hohlfadenmodul durch die Ringschraube 10 festgelegt. Die Abdichtung der die Hohlfäden 1 umgebenden Kammer 11 erfolgt mit Hilfe der O-Ring-Dichtung 12, die gegen die konische Dichtfläche 5 des Vergußmassekörpers 2 gedrückt wird.

Die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung zum Herstellen eines Hohlfadenbündels aus Teilbündeln für den Hohlfadenmodul be­ steht aus der Grundplatte 17, der senkrecht darauf befestig­ ten Stange 15, an deren oberem Ende die kugelkalottenförmige Kappe 16 befestigt ist, und den sechs spinnenbeinförmig nach oben ragenden gleichmäßig verteilt angeordneten Stäben 13. Diese Vorrichtung gestattet es, ein Hohlfadenbündel herzu­ stellen, bei dem die Schichten, die von den halbkreisförmig gebogenen Abschnitten der Hohlfäden gebildet werden, einen Winkel von 60° miteinander bilden. Hierbei können beliebig viele Teilbündel quasi übereinandergestapelt werden. Die halbkreisförmige Biegung in der Mitte der Hohlfäden wird durch die Kappe 16 unterstützt. Die Herstellung eines Hohl­ fadenbündels aus Teilbündeln geschieht auf folgende Weise: Ein erstes Teilbündel 1 a wird durch die erste und vierte Lücke 14 zwischen den Stäben 13 eingelegt, so daß die Mitte der Hohlfäden im oberen Bereich der Kappe 16 aufliegt und die nicht gebogenen Abschnitte der Hohlfäden frei herunter­ hängen. Ein zweites Teilbündel (nicht dargestellt), deren Hohlfäden bereits jetzt eine größere (mittlere) Länge auf­ weisen können, wird nun in derselben Weise über das erste Teilbündel 1 a, jedoch durch die zweite und fünfte Lücke 14 gelegt. Ein drittes Teilbündel (ebenfalls nicht darge­ stellt), für welches ansonsten das für das zweite Teilbündel Gesagte gilt, wird auf das zweite Teilbündel jedoch durch die dritte und sechste Lücke 14 gelegt. Nunmehr kann ein viertes Teilbündel wieder durch die erste und vierte Lücke 14 auf das dritte Teilbündel gelegt werden usw., bis ein Hohlfadenbündel mit der gewünschten Hohlfadenanzahl gebildet worden ist. Dieses kann dann in der gezeigten Darstellung nach oben herausgezogen werden, wozu zur Erleichterung zuvor die Stäbe 13 entfernt worden sein können. Anschließend er­ folgt das Einbetten der Endbereiche der Hohlfäden in der weiter oben geschilderten und an sich bekannten Weise sowie die weitere Verarbeitung zu dem erfindungsgemäßen Hohlfaden­ modul.

Fig. 8 zeigt in Draufsicht die äußere Stirnfläche 3 des Vergußmassekörpers 2 eines Hohlfadenmoduls, bei welchem die einen offenen Enden 19 der Hohlfäden von deren anderen offenen Enden 20 durch die Trennwand (geschnitten) 18 räum­ lich getrennt werden, so daß ein Durchströmen der Hohlfäden von den offenen Enden 19 zu den offenen Enden 20 oder umge­ kehrt möglich ist. Im Zusammenwirken mit einem nicht darge­ stellten den Modul umgebenden Gehäuse unterteilt diese Trennwand 18 den an die äußere Stirnfläche 3 angrenzenden Raum, der von dem nicht dargestellten Gehäuse begrenzt wird, in eine Zuführ- und Verteiler- und in eine Sammel- und Abführkammer.

In Fig. 9 ist das Ende eines Hohlfadenbündels im Bereich der im wesentlichen halbkreisförmigen Biegung der Hohlfäden in Draufsicht dargestellt, wobei das Hohlfadenbündel aus drei Teilbündeln, 1 a, 1 b und 1 c besteht, wie es sich bei­ spielsweise bei der Verwendung der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung ergibt. Man erkennt wiederum sehr deutlich, daß die Schichten (gestrichelte Linien), in denen die gebogenen Bereiche der Hohlfäden angeordnet sind oder anders ausge­ drückt, die Schichten, die durch diese Bereiche gebildet werden, einen Winkel a von 60° miteinander bilden.

Claims (2)

1. Hohlfadenmodul mit wenigstens einem Bündel aus U-förmig ausgebildeten Hohlfäden, bei dem beide Endbereiche eines jeden der Hohlfäden in einem Vergußmassekörper einge­ bettet sind und die an ihren beiden Enden offenen Hohl­ fäden auf der äußeren Stirnfläche des Vergußmassekörpers ausmünden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Hohlfaden­ bündel aus wenigstens zwei Teilbündeln besteht, daß die Teilbündel unterschiedliche (mittlere) Längen aufweisen, daß die Hohlfäden wenigstens im Bereich der im wesent­ lichen halbkreisförmigen Biegung im wesentlichen schichtförmig angeordnet sind, daß von wenigstens zwei Teilbündeln diese Bereiche in einer anderen Schicht an­ geordnet sind, daß die Schichten im wesentlichen parallel zur Längsachse des Moduls verlaufen, daß die Längsachsen der Schichten und die Längsachse des Moduls im wesentlichen zusammenfallen und daß die Schichten - in Längsrichtung betrachtet - einen Winkel miteinander bilden.

2. Hohlfadenmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf der äußeren Stirnfläche des Vergußmassekörpers angeordnete Trennwand, durch welche die einen offenen Enden der Hohlfäden von deren anderen offenen Enden räumlich getrennt werden.