DK147964B - Apparat til adskillelse af en vaeske i to fraktioner ved hjaelp af semipermeable membraner - Google Patents

Description

i 147964

Opfindelsen angår et apparat til adskillelse af en væskeformig fødeblanding i to fraktioner ved hjælp af semipermeable membraner og af den art, der har et antal i en trykbeholder anbragte membraner, som hver ligger an 5 mod en plan membranunderstøtningsplade, hvilke plader er samlet i en stak og holdes i indbyrdes afstand til dannelse af membrankanaler for fødeblandingen, fra hvilken skal fjernes en fraktion, permeatet, ved passage gennem membranerne og membranunderstøtningspladerne og afgang 10 gennem permeatkanaler, medens den efter passage af membrankanalerne koncentrerede og ændrede fødeblanding forlader apparatet som koncentrat.

Apparater af denne art kendes f.eks. fra de danske patenter nr. 138.876 og 141.009 og OSA-patenterne 15 3.398.833 og 3.623.610 og benyttes ved processer, der benævnes ultrafiltrering, hyperfiltrering eller omvendt osmose. Ved disse processer sker der en adskillelse i to fraktioner karakteriseret ved deres indhold af stoffer med forskellige egenskaber. Ultrafiltrering og 20 hyperfiltrering benyttes f.eks. i levnedsmiddel- og lægemiddelindustrien samt i vandrensnings- og afsalt-ningsanlæg og får stadig stigende betydning i det industrielle samfund.

Ved driften af sådanne apparater sker adskillelsen 25 ved membranoverfladen i membrankanaleme. Herved opstår ved membranoverfladen en lokal koncentrationsforøgelse af de stoffer, der ikke passerer igennem membranerne.Dette fænomen,der kaldes koncentrationspolarisation, giver anledning til formindsket permeatmængde og formindsket 30 adskillelsesgrad. I graverende tilfælde kan koncentrationspolarisation føre til udfældning af stoffer, eller i tilfælde af makromolekyler, til dannelse af gellag på membranen og til ødelæggelse af denne. Koncentrationspolarisationen, udtrykt som koncentra-35 tionsforøgelsen ved membranoverfladen i forhold til koncentrationen i membrankanalen som helhed, er ikke konstant hen igennem membrankanalen, men vokser fra værdien nul ved indløbet til mémbrankanalen til en værdi ved 2 147964 udløbet fra membrankanalen - en værdi der afhænger af fødeblanding, membranegenskaber, tryk, længde af membrankanalen og strømningshastighed i membrankanalen.

Da koncentrationspolarisationen aftager med sti-5 gende strømningshastighed i membrankanalen benytter man, i kendte apparater, stor lineær strømningshastighed i membrankanalen for at reducere koncentrationspolarisationen.

Membrankanalens længde begrænses, i kendte appa-10 rater, bl.a. af den opkoncentrering af fødeblandingen der sker hen igennem kanalen, af den voksende koncentrationspolarisation gennem membrankanalen og endelig af den forøgelse af koncentrationspolarisationen, der er en følge af opkoncentreringen hen gennem kanalen.

15 Ved den foreliggende opfindelse søges tilveje bragt en konstruktion, der reducerer væksten af koncentrationspolarisationen hen gennem membrankanalen, idet en sådan formindskelse kan udnyttes på flere måder til forbedring af ultrafiltrerings- og hyperfiltrerings-20 processerne.

En reduktion af væksten af koncentrationspolarisationen kan f.eks. udnyttes til at opnå en større opkoncentrering af væsken i membrankanalen, før der sker udfældning eller geldannelse på membranoverfladen -25 enten ved at anvende flere efter hinanden anbragte membrankanaler eller ved at gøre længden af den enkelte membrankanal større. Sidstnævnte alternativ kan også have konstruktionsmæssige fordele, idet antallet af membraner og membranunderstøtningsplader kan reduceres i 30 takt med, at længden af de enkelte membrankanaler øges, og dermed arealet pr. membrankanal øges.

Da koncentrationspolarisationen også stiger med stigende tryk i membrankanalen, eller med voksende permeatflow gennem membranen, kan en reduktion af væk-35 sten af koncentrationspolarisationen også udnyttes til at forøge permeatmængden, ved at øge trykket i membrankanalen, uden at dette medfører udfældning eller geldannelse på membranoverfladen.

3 147964

En reduktion af koncentrationspolarisationsniveauet opnået gennem en reduktion af væksten af koncentrationspolarisationen giver altså flere muligheder for forbedring af ultrafiltrerings- og hyperfiltreringsprocesser.

5 Ifølge opfindelsen opnås dette ved, at konstruk tionen udformes således, at hver enkelt membrankanal har stedse aftagende tværsnitsareal i strømningsretningen. Herved opnås, at den lineære strømningshastighed vokser i hele membrankanalens længde fra 10 indgangen fra fødeblandingskanalen til koncentratkanalen med det resultat, at vadesten af koncentrationspolarisationen reduceres.

Konstruktivt kan konvergerende membrankanaler, dvs. membrankanaler med stedse aftagende tværsnits-15 areal i strømningsretningen, tilvejebringes på forskellige måder. I praksis anvendes hensigtsmæssigt kanaler med rektangulært tværsnit, og man kan da vælge at lade kun den ene dimension i tværsnittet, f.eks. bredden, variere og holde højden konstant.

20 Kanalhøjden vil normalt være en lille brøkdel af kanalbredden og være af størrelsesordenen 1 mm.

I en særlig hensigtsmæssig udførelsesform forløber membrankanalerne radialt fra en udvendig cirkulær tilgangskanal, fødeblandingskanalen, ind mod en central 25 afgangskanal, koncentratkanalen, hvorfra koncentratet bortledes. I en anden hensigtsmæssig udførelsesform er membrankanalernes membranflader rektangulære, og deres højde er aftagende fra indløb til udløb, medens bredden i kanaltværsnittet er konstant.

30 Opfindelsen tillader i øvrigt anvendelsen af varierende højder uafhængigt af membrankanalernes geometriske udformning i øvrigt, sålænge membrankanalerne blot har stedse aftagende tværsnitsareal i strømningsretningen.

35 Membrankanalerne udformes hensigtsmæssigt således, at der fås et ensartet strømningsmønster langs alle aktive membranflader og med fordel således, at alle strømningsveje i kanalerne er lige lange.

147964 4

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et lodret snit i en del af en udførelsesform for et apparat ifølge opfindelsen med 5 cirkulære membranunderstøtningsplader og radialt . forløbende membrankanaler med konstant højde, fig. 2 et vandret snit II-II gennem en del af apparatet i fig. 1, fig. 3 et lodret snit i en del af en anden 10 udførelsesform for et apparat ifølge opfindelsen med rektangulære membranunderstøtningsplader og membrankanaler med varierende højde, og fig. 4 et vandret snit IV-IV gennem en del af apparatet i fig. 3.

15 I den i fig · 1 og 2 viste del af en udførelsesform for et apparat ifølge opfindelsen findes i en hovedsagelig cylindrisk trykbeholder 1 to filtersektioner 2 og 3 anbragt i serie, idet de er adskilt ved sektionsskillevægge 4 og 5. I hver filtersektion, der i det viste 20 eksempel indeholder tre cirkulære, permeable membranunderstøtningsplader 6, hvis overflader er dækket med semipermeable membraner 7, er de mellem membranerne liggende membrankanaler 8 i strømningsmæssig henseende parallelt arrangeret.

25 Fig. 2 illustrerer ved de viste pile, hvorledes væskestrømmen forløber radialt fra en langs periferien liggende ringformet fødeblandingskanal 9 til en central, rørformet koncentratkanal 10. Væsken løber langs med membraner 7 og en lille del af den, 30 permeatet, trænger gennem membranerne og ind i de porøse membranunderstøtningsplader, hvorfra permeatet ledes bort gennem permeatkanaler 11, der dannes dels af de porøse vægge, dels af ringformede afstandsstykker 12, 35 147964 5 der samtidig fungerer som tætning mellem permeatkanal og membrankanal og sikrer konstant afstand mellem membranerne og dermed konstant højde i membrankanalerne.

Ses bort fra den del af væsken, der fjernes 5 gennem membranerne, øges den lineære strømningshastighed i membrankanalen omvendt proportionalt med afstanden fra filtersektionernes centerlinie.

Den væske, der forlader membrankanalerne i den nederste sektion 2, blandes i koncentratkanalen 10 10 og i rummet mellem sektionsskillevæggene 4 og 5, inden den påny som fødeblanding tilføres den øverste sektion 3. Opbygningen af koncentrationspolarisationen forløber efter samme mønster i begge sektioner, idet membrankanalerne er konvergerende og har hovedsagelig 15 identiske dimensioner.

Fig. 2 illustrerer de for opfindelsen karakteristiske konvergerende membrankanaler, der her er skiveformede med, som det ses af fig. 1, konstant højde, men en bredde, der aftager fra den store ydre periferi 20 til den indre, hvorved væskestrømmens hastighed vokser udefra og indefter, med det resultat, at koncentrationspolarisationen reduceres.

Den i fig. 3 og 4 viste del af en udførelsesform for et apparat ifølge opfindelsen med to i serie liggende 25 filtersektioner 2 og 3 illustrerer, hvorledes der kan tilvejebringes membrankanaler 8 med konstant bredde og variabel højde. Trykbeholderen 1 har i dette tilfælde rektangulært tværsnit, og membranunderstøtningspladerne 6, hvoraf en ses i fig. 4, er 30 ligeledes hovedsagelig rektangulære set ovenfra, men har voksende tykkelse i retning fra fødeblandingskanalen 9, fig. 3, mod koncentratkanalen 10, der fortsætter opefter og her udgør fødeblandingskanal 9 for den ovenover liggende sektion.

35 Pilene i fig. 3 og 4 angiver væskens strømnings retning, og af fig. 4 ses, at membrankanalerne 8 har konstant bredde, medens fig. 3 viser, at de inden for

Claims (2)

1. Apparat til adskillelse af væskeformige fødeblandinger i to fraktioner ved hjælp af semipermeable 20 membraner og af den art, der har et antal i en trykbeholder (1) anbragte membraner (7), som hver ligger an mod en plan membranunderstøtningsplade (6), hvilke plader er samlet i en stak og holdes i indbyrdes afstand til dannelse af membrankanaler (8) for fødeblandingen, fra hvil-25 ken skal fjernes en fraktion, permeatet, ved passage gennem membranerne (7) og membranunderstøtningspladerne (6) og afgang gennem permeatkanaler (11) , medens den efter passage af membrankanalerne (8) koncentrerede og ændrede fødeblanding forlader apparatet som koncentrat, 30kendetegnet ved, at hver enkelt membrankanal (8) har stedse aftagende tværsnitsareal i strømningsretningen .

2. Apparat som angivet i krav 1, kendetegnet ved, at tværsnitsarealet aftager hoved- 35 sagelig lineært som funktion af vejlængden i membrankanalen (8) .